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Tipos de ligantes y selecci6n
Numerosos ligantes inorganicos y organicos se usan en la briquetacion de carbones EI Iigante seleccionado depende de las propiedades del ligante con relacion a las propiedades del carbon que va ha ser briqueteado y el uso final de las briquetas y el costo EI costo de muchos ligantes con frecuencia restringe su uso para briquetacion de carbones y cuando los ligantes se usan su costo puede ser una fraccion importante del costo del procesamiento Por 10 tanto se requieren hacer pruebas para la seleccion juiciosa del tipo de ligante y determinar la concentracion minima para obtener las propiedades de la briqueta deseada
Los ligantes se han categorizado de varias maneras inc1uyendo comportamiento funcional estado fisico tipo quimico accion ligante macroscopica y fuerzas de particula
Los ligantes comunes usados en la briquetacion de carbones finos inc1uyen las peHculas inactivas por ejemplo agua aceites lignosulfanato varios almidones y goma peliculas quimicas por ejemplo sodio silicato y caliza matriz quimica por ejemplo molasas y caliza alcohol polivinil y almidon matriz inactiva por ejemplo brea (de alquitran de carbon y petroleo) bitumen arcillas viscosa (santato de celulosa de sodio) En las ultimas dos decadas muchos ligantes nuevos se han desarrollado para usar con el carbon y materiales asociados Esos ligantes se han basado en polimeros por ejemplo la perteneciente a Thermae gel (matriz qui mica) mezclas multiquimicas y residuos de desechos orgarucos tales como resina suero de la leche (pelicula inactiva) Papel solo y con almidon se ha empleado en algunas ocasiones como un ligante barato y efectivo para aglomerar carbon y coque de petroleo Schafer describe una serie de ligantes usados en el pasado y en el presente como aglomerantes del carbon y algunos de esos y muchos otros se han probado recientemente por Young Musich and Willson para usar con chares de carbon en el desarrollo de combustibles sin humo
Los factores que son importantes para la seleccion de ligantes para producir briquetas de carbon de buena calidad incluyen alta resistencia delligante a baja concentracion desarrollo de una buena resistencia verde durabilidad impartida (por ejemplo a prueba de agua) caracteristicas ambientales favorables (tanto durante la preparacion como en el uso posterior) conveniencia de manejo compatibilidad con la alimentacion la aplicacion deseada y la relacion costolbeneficio A1 seleccionar un ligante es importante que no se tenga en cuenta solamente la combinacion ligante shyalimentacion sino tambien el uso final deseado el costa delligante sera luego visto en relacion al valor agregado que el producto aglomerado puede obtener en el lugar de mercado
Factor de mezcla Como se menciono antes el objetivo de la briquetacion es producir briquetas estables fuertes y durables Las tecnicas de mezclado tienen un papel importante ya que su proposito es cubrir uniformemente la superficie de las particulas de carbon con
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el ligante Cuatro aspectos de mezcla se deben considerar caracteristicas del mezclador y velocjdad~ caracteristicas fisicas de los materiales a ser mezclados (por ejempio contenido de humedad) y rasgos de la superficie (por ejemplo la apariencia angular de las particulas de char de carbon pueden mejorar la calidad de la briqueta) el orden de adicion de los materiales a mezclarse y el tiempo de mezclado Cada uno de esos aspectos se debe evaluar para efectuar la briquetaci6n con el fin de optimizar condiciones y obtener un costo efectivo del producto
4222 Briquetacion de Iignitos sin Iigantes
Propiedades caracteristicas de los Iignitos Debido a su bajo rango los lignitos tienen una alta saturacion de agua la cual varia entre el 450 y el 600 y un alto grado de acidez la cual se refleja por la alta relaci6n at6mica OIC Mall L 1996
Por el contrario los carhones con mayor grado de carbonificacion se caracterizan por tener bajos contenidos de agua y relacion atomica OC
La alta proporcion de oxigeno en los lignitos se debe a la alta proporcion de bitumen y acidos humicos Iibres Los acidos humicos ayudan a el buen comportamiento en la briquetacion
Ademas del rango bioquimico del lignito su cali dad petrografica es un parametro material con una influencia decisiva en la briquetacion La calidad petrografica depende de los materiales de los cuales se forma el carbon
Un rasgo esencial de los lignitos es su cali dad estructural la cual varia entre compacta-detritica y estratiforme dependiendo de la tectonica Mientras el carbon detritico es normal mente bueno para briquetacion un carbon estratiforme muestra alta dureza de briquetacion
Es claro de las descripciones anteriores que los lignitos en principio son adecuados para hacer briquetas pero su grado de adecuabilidad puede variar considerablemente
Rasgos basicos de la teoria de briquetacion El hecho de que sea posible hacer con el lignito briquetas solid as compactas se debe al gran potencialligante que este contiene Mall L 1996
Parte del arte de la briquetacion es hacer el mejor uso posible de los potenciales ligantes te6ricamente usables por medio de una compresion homogenea del carbon seco por ericima del nivel macromolecular
La alta capacidad de los componentes macromoleculares activamente ligantes se producen principal mente del gran numero de grupos funcionales por ejemplo los grupos hidroxilo y carboxilos de los componentes alifaticos y aromaticos de las macromoIeculas de carbon
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Los siguientes tipos de enlaces estan en la estructura de las macromoleculas del carbon y (as interacciones entre ellas
f bull Enlace ionico bull Enlace atomico bull Enlace de Van der Waals bull Puente de hidrogeno
Para que los campos de fuerza esten 10 suficientemente cerca uno del otro es necesaria una alta compresion del material La resistencia de la briqueta incrementa progresivamente con el aumento de la intensidad de compresion del material El nivel de presion aplicado es el factor decisivo primario que produce la union de las fuerzas de enlace
Presiones de 800 a 1200 bar son suficientes para la briquetacion sin ligantes de los lignitos Por el contrario sin ligantes los carbones de mas alto rango se pueden briquetear a presiones de 3 000 a 5000 bar debido a su pobre susceptibilidad a la briquetacion
Debido a las altas demandas tecnicas de este proceso los carbones de mayor rango solamente se convierten en briquetas usando ligantes
Etapas del proceso tecnologico Extraccion El proceso de briquetacion empieza practicamente en la mina con la extraccion del carbon adecuado para briquetacion La seleccion del carbon se hace de acuerdo a los siguientes criterios
bull Petrografia bull Contenido de cenizas bull Contenido de sulfuro
La reaccion petrografica depende del rango del carbon la estructura del carbon y las proporciones de los componentes que ayudan a la briquetacion tal como la doplerita Un requerimiento para briquetacion sin ligantes es contar con un carbon petrograficamente adecuado
Un alto contenido de cenizas tiene un efecto adverso sabre el poder calorifico la resistencia y el comportamiento de quemado de la briqueta y requiere que en las plantas de beneficio el uso de los equipos sea alto Las cenizas se producen de los componentes inorgarucos en el carbon las cuales son parcial mente de origen singeneticas y epigeneticas
El contenido de cenizas difiere considerablemente de una mina a otra Mall L 1996 ha colocado el limite en el contenido de cenizas para briquetacion de carbones de
aproximadamente 115 Carbones con mayores contenidos de cenizas se llevan a plantas tennicas
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EI contenido de su1furo no se ha estudiado bien en el proceso de briquetacion pero si en proteccion ambiental La legislacion ambiental alemana prohibe el uso de combustion domestica de combustibles con un contenido de sulfuro mayor de 1000
~ Combustibles con un alto contenido de sulfuro se deben pretratar para usarse en plantas con un FGD
Mall L 1996 coloco el limite superior del contenido de azufre de 34 para la produccion de briquetas pretratadas
Procesamiento del carbon crudo El carbon crudo suministrado des de la mina general mente tiene un tamano de particula de 200 mm Para ser procesado posteriormente en la planta de beneficio el carbon necesita prepararse a un tamano de particula de aproximadamente 6 mm
El diseno de la planta de preparacion depende de la estructura del carbon crudo que se va a usar Esta consiste de unidades de molienda y tamizado adecuadamente conectadas la molienda se lleva a cabo usualmente por molinos de doble rodillo y de martillo Para el tamizado frecuentemente se usan mallas enrolladas y vibrantes
Secado El contenido de agua del carbon crudo generalmente es de 50 a 55 Para la briquetacion sin ligantes de lignito el contenido optimo de agua es alrededor del 17 al 18 Esto significa que por cada tonelada de briquetas aproximadamente 08 toneladas de agua se deben remover As el secado es la etapa que consume la mayor energia y es la mas costosa en el proceso de briquetacion
Hoy el secado se hace usando predominantemente secadores tubulares calentados con vapor con una superficie de calentamiento de 4000 m2
bull Esos secadores son capaces de vaporizar aproximadamente 25 tIh de agua de el carbon
El calentamiento se Ileva a cabo usando el vapor spent de 4 a 5 bar desde las turbinas de la planta de generacion de la mina la cual es parte del sitio dektmeficio El acople calor-potencia hace posible proporcionar el calor a bajo precio can generacion de energia electrica termodimimicamente mas eficiente
El polvo se Iimpia desde el vapor de agua en los secadores par media de precipitadores electrostaticos EI polvo que se remueve se adiciona al carbon seco de nuevo y se vende separadamente como combustible
Aparte de los secadores tubulares hay casas individuales en donde se usan secadores de lecho fluidizado vapor Esas unidades son muy eficientes pero requieren de una alta inversion
Hasta hace poco se usaron en Ia industria de Iignitos los secadores rotatorios calentados par flujo de gas
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Extrusion Oespues de enfriarse y molerse de nuevo el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion
r La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo
Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado la briqueta previa se mueve fuera de la prensa La resistencia necesaria se
r proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde
Enfriamiento de la briqueta Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar
La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte
Debido ala baja conductividad termica de las briquetas un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente
423 Mezclas liquido carbon
Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite metanol y agua Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos
economicos En el caso de las mezclas carbon-agua se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente
4231 Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon
La elase de carbon definida usualmente por su rango es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela aguashycarbon en dos aspectos En primer lugar el carbon debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos
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1
~ I I
Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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gt-1n (I~fifI~
ilrt)C t
I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
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En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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I ii I III
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Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
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0 e
30000 20000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
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oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
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TI ( VOL ~( I
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Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
90
r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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el ligante Cuatro aspectos de mezcla se deben considerar caracteristicas del mezclador y velocjdad~ caracteristicas fisicas de los materiales a ser mezclados (por ejempio contenido de humedad) y rasgos de la superficie (por ejemplo la apariencia angular de las particulas de char de carbon pueden mejorar la calidad de la briqueta) el orden de adicion de los materiales a mezclarse y el tiempo de mezclado Cada uno de esos aspectos se debe evaluar para efectuar la briquetaci6n con el fin de optimizar condiciones y obtener un costo efectivo del producto
4222 Briquetacion de Iignitos sin Iigantes
Propiedades caracteristicas de los Iignitos Debido a su bajo rango los lignitos tienen una alta saturacion de agua la cual varia entre el 450 y el 600 y un alto grado de acidez la cual se refleja por la alta relaci6n at6mica OIC Mall L 1996
Por el contrario los carhones con mayor grado de carbonificacion se caracterizan por tener bajos contenidos de agua y relacion atomica OC
La alta proporcion de oxigeno en los lignitos se debe a la alta proporcion de bitumen y acidos humicos Iibres Los acidos humicos ayudan a el buen comportamiento en la briquetacion
Ademas del rango bioquimico del lignito su cali dad petrografica es un parametro material con una influencia decisiva en la briquetacion La calidad petrografica depende de los materiales de los cuales se forma el carbon
Un rasgo esencial de los lignitos es su cali dad estructural la cual varia entre compacta-detritica y estratiforme dependiendo de la tectonica Mientras el carbon detritico es normal mente bueno para briquetacion un carbon estratiforme muestra alta dureza de briquetacion
Es claro de las descripciones anteriores que los lignitos en principio son adecuados para hacer briquetas pero su grado de adecuabilidad puede variar considerablemente
Rasgos basicos de la teoria de briquetacion El hecho de que sea posible hacer con el lignito briquetas solid as compactas se debe al gran potencialligante que este contiene Mall L 1996
Parte del arte de la briquetacion es hacer el mejor uso posible de los potenciales ligantes te6ricamente usables por medio de una compresion homogenea del carbon seco por ericima del nivel macromolecular
La alta capacidad de los componentes macromoleculares activamente ligantes se producen principal mente del gran numero de grupos funcionales por ejemplo los grupos hidroxilo y carboxilos de los componentes alifaticos y aromaticos de las macromoIeculas de carbon
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Los siguientes tipos de enlaces estan en la estructura de las macromoleculas del carbon y (as interacciones entre ellas
f bull Enlace ionico bull Enlace atomico bull Enlace de Van der Waals bull Puente de hidrogeno
Para que los campos de fuerza esten 10 suficientemente cerca uno del otro es necesaria una alta compresion del material La resistencia de la briqueta incrementa progresivamente con el aumento de la intensidad de compresion del material El nivel de presion aplicado es el factor decisivo primario que produce la union de las fuerzas de enlace
Presiones de 800 a 1200 bar son suficientes para la briquetacion sin ligantes de los lignitos Por el contrario sin ligantes los carbones de mas alto rango se pueden briquetear a presiones de 3 000 a 5000 bar debido a su pobre susceptibilidad a la briquetacion
Debido a las altas demandas tecnicas de este proceso los carbones de mayor rango solamente se convierten en briquetas usando ligantes
Etapas del proceso tecnologico Extraccion El proceso de briquetacion empieza practicamente en la mina con la extraccion del carbon adecuado para briquetacion La seleccion del carbon se hace de acuerdo a los siguientes criterios
bull Petrografia bull Contenido de cenizas bull Contenido de sulfuro
La reaccion petrografica depende del rango del carbon la estructura del carbon y las proporciones de los componentes que ayudan a la briquetacion tal como la doplerita Un requerimiento para briquetacion sin ligantes es contar con un carbon petrograficamente adecuado
Un alto contenido de cenizas tiene un efecto adverso sabre el poder calorifico la resistencia y el comportamiento de quemado de la briqueta y requiere que en las plantas de beneficio el uso de los equipos sea alto Las cenizas se producen de los componentes inorgarucos en el carbon las cuales son parcial mente de origen singeneticas y epigeneticas
El contenido de cenizas difiere considerablemente de una mina a otra Mall L 1996 ha colocado el limite en el contenido de cenizas para briquetacion de carbones de
aproximadamente 115 Carbones con mayores contenidos de cenizas se llevan a plantas tennicas
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EI contenido de su1furo no se ha estudiado bien en el proceso de briquetacion pero si en proteccion ambiental La legislacion ambiental alemana prohibe el uso de combustion domestica de combustibles con un contenido de sulfuro mayor de 1000
~ Combustibles con un alto contenido de sulfuro se deben pretratar para usarse en plantas con un FGD
Mall L 1996 coloco el limite superior del contenido de azufre de 34 para la produccion de briquetas pretratadas
Procesamiento del carbon crudo El carbon crudo suministrado des de la mina general mente tiene un tamano de particula de 200 mm Para ser procesado posteriormente en la planta de beneficio el carbon necesita prepararse a un tamano de particula de aproximadamente 6 mm
El diseno de la planta de preparacion depende de la estructura del carbon crudo que se va a usar Esta consiste de unidades de molienda y tamizado adecuadamente conectadas la molienda se lleva a cabo usualmente por molinos de doble rodillo y de martillo Para el tamizado frecuentemente se usan mallas enrolladas y vibrantes
Secado El contenido de agua del carbon crudo generalmente es de 50 a 55 Para la briquetacion sin ligantes de lignito el contenido optimo de agua es alrededor del 17 al 18 Esto significa que por cada tonelada de briquetas aproximadamente 08 toneladas de agua se deben remover As el secado es la etapa que consume la mayor energia y es la mas costosa en el proceso de briquetacion
Hoy el secado se hace usando predominantemente secadores tubulares calentados con vapor con una superficie de calentamiento de 4000 m2
bull Esos secadores son capaces de vaporizar aproximadamente 25 tIh de agua de el carbon
El calentamiento se Ileva a cabo usando el vapor spent de 4 a 5 bar desde las turbinas de la planta de generacion de la mina la cual es parte del sitio dektmeficio El acople calor-potencia hace posible proporcionar el calor a bajo precio can generacion de energia electrica termodimimicamente mas eficiente
El polvo se Iimpia desde el vapor de agua en los secadores par media de precipitadores electrostaticos EI polvo que se remueve se adiciona al carbon seco de nuevo y se vende separadamente como combustible
Aparte de los secadores tubulares hay casas individuales en donde se usan secadores de lecho fluidizado vapor Esas unidades son muy eficientes pero requieren de una alta inversion
Hasta hace poco se usaron en Ia industria de Iignitos los secadores rotatorios calentados par flujo de gas
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Extrusion Oespues de enfriarse y molerse de nuevo el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion
r La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo
Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado la briqueta previa se mueve fuera de la prensa La resistencia necesaria se
r proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde
Enfriamiento de la briqueta Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar
La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte
Debido ala baja conductividad termica de las briquetas un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente
423 Mezclas liquido carbon
Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite metanol y agua Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos
economicos En el caso de las mezclas carbon-agua se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente
4231 Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon
La elase de carbon definida usualmente por su rango es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela aguashycarbon en dos aspectos En primer lugar el carbon debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos
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Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
50
gt-1n (I~fifI~
ilrt)C t
I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
T
a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
51
aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
52
r
En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
53
I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
54
r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
55
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
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Ii i ii
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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u s 8 c A
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+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
I
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100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
o U (b)
08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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~ ~~~~I ~ ~jiilE eo ~ II II I ~~ 40 ~~~I ~ 30 o~--~
ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
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cu U
-0 C
2
94
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92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
BO$Cula
y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
o
TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r
Los siguientes tipos de enlaces estan en la estructura de las macromoleculas del carbon y (as interacciones entre ellas
f bull Enlace ionico bull Enlace atomico bull Enlace de Van der Waals bull Puente de hidrogeno
Para que los campos de fuerza esten 10 suficientemente cerca uno del otro es necesaria una alta compresion del material La resistencia de la briqueta incrementa progresivamente con el aumento de la intensidad de compresion del material El nivel de presion aplicado es el factor decisivo primario que produce la union de las fuerzas de enlace
Presiones de 800 a 1200 bar son suficientes para la briquetacion sin ligantes de los lignitos Por el contrario sin ligantes los carbones de mas alto rango se pueden briquetear a presiones de 3 000 a 5000 bar debido a su pobre susceptibilidad a la briquetacion
Debido a las altas demandas tecnicas de este proceso los carbones de mayor rango solamente se convierten en briquetas usando ligantes
Etapas del proceso tecnologico Extraccion El proceso de briquetacion empieza practicamente en la mina con la extraccion del carbon adecuado para briquetacion La seleccion del carbon se hace de acuerdo a los siguientes criterios
bull Petrografia bull Contenido de cenizas bull Contenido de sulfuro
La reaccion petrografica depende del rango del carbon la estructura del carbon y las proporciones de los componentes que ayudan a la briquetacion tal como la doplerita Un requerimiento para briquetacion sin ligantes es contar con un carbon petrograficamente adecuado
Un alto contenido de cenizas tiene un efecto adverso sabre el poder calorifico la resistencia y el comportamiento de quemado de la briqueta y requiere que en las plantas de beneficio el uso de los equipos sea alto Las cenizas se producen de los componentes inorgarucos en el carbon las cuales son parcial mente de origen singeneticas y epigeneticas
El contenido de cenizas difiere considerablemente de una mina a otra Mall L 1996 ha colocado el limite en el contenido de cenizas para briquetacion de carbones de
aproximadamente 115 Carbones con mayores contenidos de cenizas se llevan a plantas tennicas
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EI contenido de su1furo no se ha estudiado bien en el proceso de briquetacion pero si en proteccion ambiental La legislacion ambiental alemana prohibe el uso de combustion domestica de combustibles con un contenido de sulfuro mayor de 1000
~ Combustibles con un alto contenido de sulfuro se deben pretratar para usarse en plantas con un FGD
Mall L 1996 coloco el limite superior del contenido de azufre de 34 para la produccion de briquetas pretratadas
Procesamiento del carbon crudo El carbon crudo suministrado des de la mina general mente tiene un tamano de particula de 200 mm Para ser procesado posteriormente en la planta de beneficio el carbon necesita prepararse a un tamano de particula de aproximadamente 6 mm
El diseno de la planta de preparacion depende de la estructura del carbon crudo que se va a usar Esta consiste de unidades de molienda y tamizado adecuadamente conectadas la molienda se lleva a cabo usualmente por molinos de doble rodillo y de martillo Para el tamizado frecuentemente se usan mallas enrolladas y vibrantes
Secado El contenido de agua del carbon crudo generalmente es de 50 a 55 Para la briquetacion sin ligantes de lignito el contenido optimo de agua es alrededor del 17 al 18 Esto significa que por cada tonelada de briquetas aproximadamente 08 toneladas de agua se deben remover As el secado es la etapa que consume la mayor energia y es la mas costosa en el proceso de briquetacion
Hoy el secado se hace usando predominantemente secadores tubulares calentados con vapor con una superficie de calentamiento de 4000 m2
bull Esos secadores son capaces de vaporizar aproximadamente 25 tIh de agua de el carbon
El calentamiento se Ileva a cabo usando el vapor spent de 4 a 5 bar desde las turbinas de la planta de generacion de la mina la cual es parte del sitio dektmeficio El acople calor-potencia hace posible proporcionar el calor a bajo precio can generacion de energia electrica termodimimicamente mas eficiente
El polvo se Iimpia desde el vapor de agua en los secadores par media de precipitadores electrostaticos EI polvo que se remueve se adiciona al carbon seco de nuevo y se vende separadamente como combustible
Aparte de los secadores tubulares hay casas individuales en donde se usan secadores de lecho fluidizado vapor Esas unidades son muy eficientes pero requieren de una alta inversion
Hasta hace poco se usaron en Ia industria de Iignitos los secadores rotatorios calentados par flujo de gas
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T
Extrusion Oespues de enfriarse y molerse de nuevo el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion
r La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo
Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado la briqueta previa se mueve fuera de la prensa La resistencia necesaria se
r proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde
Enfriamiento de la briqueta Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar
La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte
Debido ala baja conductividad termica de las briquetas un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente
423 Mezclas liquido carbon
Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite metanol y agua Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos
economicos En el caso de las mezclas carbon-agua se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente
4231 Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon
La elase de carbon definida usualmente por su rango es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela aguashycarbon en dos aspectos En primer lugar el carbon debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos
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1
~ I I
Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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gt-1n (I~fifI~
ilrt)C t
I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
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En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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I ii I III
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
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30000 20000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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rmiddotB~ 909 =
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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92
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( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
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~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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c 0 Q shyo ()
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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EI contenido de su1furo no se ha estudiado bien en el proceso de briquetacion pero si en proteccion ambiental La legislacion ambiental alemana prohibe el uso de combustion domestica de combustibles con un contenido de sulfuro mayor de 1000
~ Combustibles con un alto contenido de sulfuro se deben pretratar para usarse en plantas con un FGD
Mall L 1996 coloco el limite superior del contenido de azufre de 34 para la produccion de briquetas pretratadas
Procesamiento del carbon crudo El carbon crudo suministrado des de la mina general mente tiene un tamano de particula de 200 mm Para ser procesado posteriormente en la planta de beneficio el carbon necesita prepararse a un tamano de particula de aproximadamente 6 mm
El diseno de la planta de preparacion depende de la estructura del carbon crudo que se va a usar Esta consiste de unidades de molienda y tamizado adecuadamente conectadas la molienda se lleva a cabo usualmente por molinos de doble rodillo y de martillo Para el tamizado frecuentemente se usan mallas enrolladas y vibrantes
Secado El contenido de agua del carbon crudo generalmente es de 50 a 55 Para la briquetacion sin ligantes de lignito el contenido optimo de agua es alrededor del 17 al 18 Esto significa que por cada tonelada de briquetas aproximadamente 08 toneladas de agua se deben remover As el secado es la etapa que consume la mayor energia y es la mas costosa en el proceso de briquetacion
Hoy el secado se hace usando predominantemente secadores tubulares calentados con vapor con una superficie de calentamiento de 4000 m2
bull Esos secadores son capaces de vaporizar aproximadamente 25 tIh de agua de el carbon
El calentamiento se Ileva a cabo usando el vapor spent de 4 a 5 bar desde las turbinas de la planta de generacion de la mina la cual es parte del sitio dektmeficio El acople calor-potencia hace posible proporcionar el calor a bajo precio can generacion de energia electrica termodimimicamente mas eficiente
El polvo se Iimpia desde el vapor de agua en los secadores par media de precipitadores electrostaticos EI polvo que se remueve se adiciona al carbon seco de nuevo y se vende separadamente como combustible
Aparte de los secadores tubulares hay casas individuales en donde se usan secadores de lecho fluidizado vapor Esas unidades son muy eficientes pero requieren de una alta inversion
Hasta hace poco se usaron en Ia industria de Iignitos los secadores rotatorios calentados par flujo de gas
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Extrusion Oespues de enfriarse y molerse de nuevo el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion
r La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo
Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado la briqueta previa se mueve fuera de la prensa La resistencia necesaria se
r proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde
Enfriamiento de la briqueta Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar
La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte
Debido ala baja conductividad termica de las briquetas un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente
423 Mezclas liquido carbon
Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite metanol y agua Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos
economicos En el caso de las mezclas carbon-agua se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente
4231 Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon
La elase de carbon definida usualmente por su rango es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela aguashycarbon en dos aspectos En primer lugar el carbon debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos
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Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
51
aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
52
r
En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
53
I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
~ I
1 III 1
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III II I
Ii i ii
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I
1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
Etkho~ 1 I I I SI Sne~f 1
VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
I
(0)
100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
o U (b)
08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
20 22
+ 100 Tl~l
~ ~~~~I ~ ~jiilE eo ~ II II I ~~ 40 ~~~I ~ 30 o~--~
ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
o
TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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gt
I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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T
Extrusion Oespues de enfriarse y molerse de nuevo el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion
r La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo
Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado la briqueta previa se mueve fuera de la prensa La resistencia necesaria se
r proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde
Enfriamiento de la briqueta Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar
La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte
Debido ala baja conductividad termica de las briquetas un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente
423 Mezclas liquido carbon
Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite metanol y agua Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos
economicos En el caso de las mezclas carbon-agua se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente
4231 Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon
La elase de carbon definida usualmente por su rango es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela aguashycarbon en dos aspectos En primer lugar el carbon debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos
48
r
i
1
~ I I
Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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r
Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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gt-1n (I~fifI~
ilrt)C t
I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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r
En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
55
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
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r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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i
i
I ii I III
I I
I i I
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Ii i ii
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
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Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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0
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
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20
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
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02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas Wall 1987
bull Alto contenido de vohitiles 10 que les da una ignicion estable bull Reactividad quimica bull Alto poder calorifico
Las antracitas aunque tienen un mayor poder calorifico poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos
Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad
Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley 1987 (en Thambimuthu K 1994) Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos
Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8 con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros 1990 El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon
Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon
La porosidad la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos
Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon sin embargo no se deben descartar los carbones de bajo rango ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos
Contenido de cenizas beneficio y pretratamiento del carbon La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos
El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a
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r
Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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gt-1n (I~fifI~
ilrt)C t
I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
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En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
57
i
i
I ii I III
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iii 11
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Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
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r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
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30000 20000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
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lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
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TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
I T
I
(
I
t I I
4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Tamaiio de particula y concentracion de solid os Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1 por cada 1000 en peso de humedad del CWM Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia
Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 Jlm Davis y Maxwell~
La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio
bull Cubico fraccion volumetrica 053 bull Aleatorio fraccion volumetrica 063 bull Rombohedral fraccion volumetrica 074
La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores En la practica se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad aunque la carga maxima esta determinada por la molienda este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a
Para un tipo de carbon dado la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento
Dispersion de particulas y aditivos quimicos Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos La Figura 12 muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion
Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12 reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso Debido a 10 anterior los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CWvI con poco consumo de aditivos
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I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
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EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
55
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
57
i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
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1 III 1
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I 11
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II 1 I
1 I
III II I
Ii i ii
ii I
I
1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
u G6
0 G5 N 64 c-o 63 u
G2 ~
13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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u s 8 c A
I
+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
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Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
Etkho~ 1 I I I SI Sne~f 1
VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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~ 126 10117
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0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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I1fH~t f-Lmiddot~ilemiddotd ~jJ li~1~~J
Grupol funcionales polarllSitios dl superflcle hidrofilica
surfactant Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco
III In orca ci nlco
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a ionicol (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH) o Orcaanlco
PARTIC~LA DE CARBON
Surfactant no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar O
Superflcle hldrofflica del carbOn
10rintocl preferlda POT la superflcit mojada 2Otientocian que delriora 10 luperffcie mojada
FIGURA 12 Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes (Thambimuthu K 1994)
La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos la cual depende del pH de la dispersi6n La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividadmiddot superficial Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension
Cuando la carga de Ia superficie es baja es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH De otro lado cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin
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aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
53
I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
54
r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
55
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
57
i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
~ I
1 III 1
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III ~~Ii 4
I 11
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II 1 I
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III II I
Ii i ii
ii I
I
1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
u G6
0 G5 N 64 c-o 63 u
G2 ~
13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
~ +
u s 8 c A
I
+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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30000 20000
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5000 4000 3000
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~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
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bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
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242
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( 2 shy 20 113 r 10063
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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I Icodo
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Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas En ambos casos la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla
Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13 muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente
Alto II cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero
Bien Debilmen1e Fuertemente dispersoda floculada floculada
A I
Duro III Naturaleza de los depositos --+- Blando
Bojo Volumen de sedimentos Alto
Pobre III Es10bilidod de los sedimentos -- Bueno
Baja Viscosidod oporente Alto )(
Alto III Maximo contenido de solidos at Bajo FIGURA 13 Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la
partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF (Thambimuthu K 1994)
A pesar de la pobre estabilidad el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas
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r
En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
53
I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
54
r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
55
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
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1 III 1
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II 1 I
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III II I
Ii i ii
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
G2 ~
13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
~ +
u s 8 c A
I
+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
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r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
I
(0)
100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
o U (b)
08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
20 22
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~ ~~~~I ~ ~jiilE eo ~ II II I ~~ 40 ~~~I ~ 30 o~--~
ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
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92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
o
TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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gt
I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r
En la practlca las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo usualmente es una goma natural 0 polisacarido el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon
Temperatura de estabilidad A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n las cuales deben evitarse la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM sin embargo el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos
A altas temperaturas los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos
Adicionalmente las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas De otro lado el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a
Otro problema es debido al incremento en la actividad microbial causando el rompimiento del polisacarido 10 cual incrementa el grado de sedimentaci6n de las particulas en el combustible El proceso puede evitarse si se usa la temperatura adecuada para su almacenamiento yo el uso de altas concentraciones de un antibacterial en la formulacion del combustible
4232 Procesos de produccion La Figura 14 muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado a veces precedido de una etapa de secado Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30 en peso
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I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
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r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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I ii I III
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Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
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bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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I
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(
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
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para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
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middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
I
(0)
100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
o U (b)
08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
J~IjJ ~~
- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
BO$Cula
y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
o
TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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gt
I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
I
Carbon
Tolva de
Filtro
Torla humeda 20-30 de aQua
Mezclador de combuati ble
Rlciclado
de tamano
Qrandel
Aditivos qUlmlcos
Aaua
Finos
Mollenda en timedo
A I macenaje de combustible
aQua-corban
FIGURA 14 Proceso generico para la elaboracion de CWM (Thambimuthu K 1994)
)
EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear la viScosidad yo agregar un segundo aditivo estabilizador Finalmente el combustible se almacena para pennitir la difusi6n total de los aditivos antes de su embarque para ei uso
EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14 Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado el tipo de molino la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados
Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda Otro cambio importante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia
423~3 Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en tanques La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar Si el combustible se
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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I ii I III
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
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bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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I
T
(
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
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middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
Etkho~ 1 I I I SI Sne~f 1
VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
I
(0)
100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
o U (b)
08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
20 22
+ 100 Tl~l
~ ~~~~I ~ ~jiilE eo ~ II II I ~~ 40 ~~~I ~ 30 o~--~
ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
BO$Cula
y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
o
TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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gt
I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r
prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea pero es necesario el uso de sistemas de agitacion De otro lado el combustible se puede preparar en otro lugar en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento (Thambimuthu K 1994)
Bombeo Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion
Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas
Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo
Transporte del combustible La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios
bull Mantener las velocidades de flujo entre 06 y 24 mls bull Las tuberias deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de
atascamientos bull Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para
condiciones laminares sin embargo se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas
bull Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas
4234 Mecanismo de combu5ti6n AI contrario de la combustion de carbon pulverizado el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado Sin embargo debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200degC (menores a las del carbon pulverizado) 10 cual genera una menor fusion de las cenizas Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados (Thambimuthu K 1994) Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados
En la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas
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r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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I ii I III
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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30000 20000
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5000 4000 3000
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~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
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bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
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242
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( 2 shy 20 113 r 10063
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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I Icodo
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Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
r
estas se fragmentan La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1000 Hz) estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados que se queman como particulas discretas
Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie
424 Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon
El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundot Aqu se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto
~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia
bull Gasificacion integrada (IG) bull Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) bull Combustion directa con carbon (DCF)
bull Combustion indirecta con carbon (IDC)
La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas Todas seran comercializadas en los proximos aiios
Las plantas convencionales con turbina basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD) han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2400 psi 1000degF (164 lVtPa 538degC) y un simple recalentamiento de IOOOdegF (538degC) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35
En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC) con los costos de plantas aproximados Scalzo et aI 1992 (en Domeracki et ai 1994) La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2 100degF (1 149degC) Y un 37 de rendimiento
TABLA 10 Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos (Domeracki et ai 1994)
Cicio Rendimiento HHV Costo $KW PCIFGD 35 1750 AFB 36 1680 IGCC 37 1800
56
r
En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
57
i
i
I ii I III
I I
I i I
iii 11
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1 II I I
Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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u s 8 c A
I
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
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1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Blackhawt - I i I
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I bull
I I I GemNo5
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
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I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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~ 126 10117
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0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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I
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1992)
TABLA 11 Comparacion de ciclos avanzados(Domeracki et ai 1994)
CicIo Rendimiento HHV Costo $IKW Ano PFB La generaci6n 38 1500 1993 IGee avanzado 41 1400 1996 PFB 23 generaci6n 45 1350 1998 DCFACe 45 1200 2003
4241 Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80 los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales EI proceso tiene ~gtasicamente 4 etapas
bull EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura
bull Los gases se purifican bull Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina bull EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor cerrando
el cicIo
El azufre los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina a la que se anade aire antes de la combusti6n
C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente con 10 que mejora la eficiencia termica
Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido En primer lugar las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis gas natural 0 una combinaci6n de ambos
Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue
bull Esta basado en tecnologia disponible bull Mas bajas emisiones (S02 y NOx)
bull Mayor rendimiento (37 a 4500)
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Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
58
combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
60
I
T
(
r
estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
r
I I
Imiddot
r
425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
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0 e
30000 20000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
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oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
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TI ( VOL ~( I
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Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
90
r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1600degF (871degC) para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual Este carbon se quema en el PFB presurizado por la turbina de gas y los gases a 16000F (871degC) se llevan despues de filtrados a la turbina tal como se ilustra e~ la Figura 15
Antes de entrar en la turbina los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno se calientan a 2100degF (1149degC) 0 mas en un sistema de combustion middotmiddottoppingmiddotmiddot Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500degF mayor que la temperatura del aire del PFB el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion
Turbina de vapor
TurhiILI de gas
Limpieza del gas Gas
combustible
Silcma de vapor
Carbon residual
Unidad de piroiisis
Carbon -shy
FIGURA 15 Representacion esquematica de un cicio combinado con PFB de segunda generacion (Domeracki e~ ai 1994)
Puesto que el airelt que entia al combustor 10 hace a 1600degF (871degC) comparado con los 750degC (411 degC) del aire de descarga del compresor para una moderna turbina de
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combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
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FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
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bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
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FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
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para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
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45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
u G6
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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u s 8 c A
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
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0 e
30000 20000
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5000 4000 3000
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~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
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r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
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100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
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E so L eo S 40 It) 30 ci 20
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08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
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2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
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~
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It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
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TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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T~
universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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combustion de relacion de presion de 14 aI los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones Para esta aplicacion el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1600degF (871degC) Yquemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio En resumen el combustor debe
bull Utilizar aire viciado a 1600degF (871degC) para el enfriamiento bull Inhibir la formaci6n de NOx a partir de combustibles que contemplan nitrogeno
combinado bull Operar con combustibles convencionales cuando el PFB yo la unidad de pirolisis
no esten en operacion
EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB) basado en un disefio de JM Beer 1980 tal como 10 muestra la Figura 16 discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury 1990 y Garland et aI 1991
FIIIJo~ d eire
bull
FIGURA 16 Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular (Domeracki et aI 1994)
Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 1000 superior y una inversion de un 10 inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PCFGD) Sin embargo los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25 mas baja la eficiencia un 25 mayor y el costo de la electricidad un 20 menor (Robertson et aI 1988) Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue
59
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
1~~IIrial ll~(rhcI1lC
Trbdlil1n hllllitl1
~ 1IOIllIrlilla-----v jI
FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
61
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
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FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
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a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
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30000 20000
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lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
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4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
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E so L eo S 40 It) 30 ci 20
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08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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242
250
bull=10 Vol
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I 0
I I
~ 126 10117
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0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
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oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
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~__i~ Aus-MV
90 80
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JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
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~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas bajas emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45) bull Menor inversion bull Menor costa de la electricidad
4242 Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas como la que se muestra en la Figura 17
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FIGURA 17 Combustor de escoria (Domeracki et aI 1994)
La primera etapa constituye la zona de combustion primaria Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmentegt a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion
Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamientoseparacion de volatiles de las particulas que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
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Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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0
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30000 20000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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i I
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92
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
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JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina
Las ventajas son las siguientes
bull Excelente tecnologia para aumentar la potencia bull Mas baja inversion bull Mas bajo costa de la electricidad bull Menores emisiones de S02 y Nox bull Mayor rendimiento (45)
4243 Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor De esta forma solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina Bajura y Webb 1991 eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina
La Tabla 12 relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos
TABLA 12 Parametros termodinamicos ciave (Domeracki et aI 1994) Parametros Cicio de Alternativa A Alternativa B
referencia Temperatura de entrada ala 2300 of 2500degF 3000degF
turbina de gas Condiciones de entrada a la 2400 psi 2400 psi 2400 psi
turbina de vapor 11 OooPll OOOf 1200degF1100Of 1200degFl100oP Calentador de aire del Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de
HITAF calor Estructura del HITAF Sin pared de agua Pared de agua Pared de agua
Utilizacion del carbon () 660 67~3 100 Produccion de energia bruta 2777 2923 3199
(MW) Auxiliares (MW) 65 58 66
Produccion neta de la planta 2712 2865 3133 (MW)
Rendimiento global 471 485 530
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
u G6
0 G5 N 64 c-o 63 u
G2 ~
13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
~ +
u s 8 c A
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+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
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c + u
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o
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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N Q)
0
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0 E )(
0 e
30000 20000
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5000 4000 3000
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1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
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r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
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Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
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I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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20
10
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3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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~
c 0 Q shyo ()
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QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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0)
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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425 Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion
En muchos paises la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno
La conversion del carbon a gas con bajo medio 0 alto poder calorifico incluyendo metano 0 gas natural sintc~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias Sin embargo los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado
Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion
43 ELABORACI6N DEL CEMENTO
El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso
EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita arcilla arena bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa
Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas
El uso de procesos secos reduce el consumo de calor de alguna manera Carbones con mas de 35 de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147 se ha usado en Belgica
Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas
62
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
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0 e
30000 20000
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5000 4000 3000
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Blackhawt - I i I
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Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
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5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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i I
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92
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( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion
44 REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO
Los oxidos de hierro junto con el carbon yo char se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores La combustion parcial 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla Los productos del homo se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~ Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador
1 Reactividad del Char El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio potasio y hierro Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas mejorando la productividad y la mejor operacion de planta
2 Contenido de Cenizas EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20 porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica
3 Comp3sidon de Cenizas Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 1 00-1 50degC arriba de la temperatura de operacion del homo
4 Contenido de Sulfuro Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros
5 Propiedades Coquizables Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2
6 Distribucion de Tamafios EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa
7 Poder calorifico Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico
63
middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
64
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hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
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FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
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Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
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FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
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4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
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TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
I T
I
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I
t I I
4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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middot~
45 CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE
El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion pirolisis coquizacion licuefaccion y gasificacion Mochida y otros 1994 Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0
reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis hidrogenacion y oxidacion Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0
coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion (Mochida y otros 1994)
De todos los procesos de conversion del carbon la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon
451 Criterios para carbones coquizables
Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del co que producido La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta
Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de fusion durante la carbonizacion mientras otros no y ademas el hecho que un carbon
dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por las entidades fusibles excede esas de las no fusibles
Aun si un carbon no da una evidencia de fusion alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor En un carbon coquizante de excelente calidad el cual forma coque satisfactoriamente por si solo esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles) Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque influencian su comportamiento en el alto homo
La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon expresados como contenido de materia volatil Figura 18 muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no
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hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
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Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
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0 G5 N 64 c-o 63 u
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13 GI GIt bull13 F0 Q E
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50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
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65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
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Liptiilitos -I
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c + u
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Vitrinitas
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OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
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FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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30000 20000
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5000 4000 3000
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~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
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bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
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242
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( 2 shy 20 113 r 10063
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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I Icodo
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Molino d martlllo
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
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~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
r-----~-=------------~--------
hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Amu 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla
-~
Gil GIO -G9 ~ G8
g G1
u G6
0 G5 N 64 c-o 63 u
G2 ~
13 GI GIt bull13 F0 Q E
u 0tJ U C
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u s 8 c A
I
+ I
50 ~5 40 35 30 25 20 15 10 5 0
00 M01eriovolatil (lac)
FIGURA 18 Materia vohitil y tipo de coque Gray-King Resultados para muestras individuales indicadas por y + (Ward C 1984)
No todos los carbones producen coque En terminos generales solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (05-20 de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque y no todos los carbones bituminosos son coquizables Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 10 y 16
4511 Fluidez e hiochamiento -Es necesano para la fonnacion del coque que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550degC) Un carbon coq1lizante se comporta como si este fuera un seudo
I
65
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
0-0-c 0
600shyu 0-0shy
o
cfl A A
Vitrinitas
60 6 aomiddot~
OLampL 900 00
eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
T -
360r
c 0 middotu o-o
a
40
o
-40350
=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
-r
N Q)
0
2
0 E )(
0 e
30000 20000
10000
5000 4000 3000
2000
1000
100
~~~~middotO~b(f VM 4~6Mjj~l ~ JP HV fA) Inerts 48-96
HII Yubagt 2i 500 ddp m
----- I VM 35-36
1f
r USA HY 1111 Inll11 16-20 bullbull 1 I
Blackhawt - I i I
~ M No J Lvnco II I
I bull
I I I GemNo5
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VM 22-31 I r USA MV Inll11$ 12-26
Akab ~ It J Ash bi I I
iii I j bull u St S~~ 2 Jllwel Pocahontas I I l I - I cca I - I - J M c f f ~~ _ Goonv
l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
bull I I I f fIn Borehole I ~~ I L~ Gem No J~1 I -e ~ ________
~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
t I Vic~Y t ~ 1[1 ~ Australia My II KoppestoneVM 29-32 bull Balmer ~ ~ bull
ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
~ shy
20
10
5
3
00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
70
r
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100 II 11 111 1r PI r JI l 7I II7f I I f 7i II 90
In eo ~ 70 0
E so L eo S 40 It) 30 ci 20
ireer~~~~middot 04 OS
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08 10 12 14 IS 18 Reflectoncio de vitrinito
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ee 20 ~ 10 O~L-L-~~~~~~~~~~~~~~-L~
04 o 08 10 12 14 I 18 20 22
Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
f
i I
I
I
i
B
7
6
CIu c cu - iii cu cu ~
cu U
-0 C
2
94
Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
I Icodo
4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
f-A
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- II) condlCionamltno~ I ~ -4 d coqu 36 m
bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
BO$Cula
y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
Ii 1
~
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I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
u E
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TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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T~
universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
96
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
gt
I
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
Hquido y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion
Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son
Temperatura de ablandamiento inicial
2 Temperatura de maxima fluidez
3 Temperatura de resolidificacion
4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez)
5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)
Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados
) Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros Dependiendo de su rango este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia
Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar Si esas no coinciden los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte de la temperatura involucrada Tal comportamiento puede ser ventajoso 0
desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque
Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica
Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyrlaquo2X denso debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado dfJlirr~hamiento de esta
--n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa por-Iosgases~~--~ ---------- shy~~---~~~-~-to1o~$1~~~ 1 _--
66
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
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Liptiilitos -I
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eo ezaO 0 ~o 84 at f bullt1 88 90 92
- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
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=C Ann
J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
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~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
50
gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
gt
FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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242
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( 2 shy 20 113 r 10063
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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~almer bull Vicary Creek
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JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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T~
universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
95
1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
96
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
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I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
r En la actualidad los amilisis de dilatacion son ellILeJos_medlQ_de determinar si un
carbmrcr1fleZClade carbones espoundQquizable L~_dilatjlcitm dt1-ll~on YJ~9l1gJ~~-gt ~~QClciregddec~nE9_~_9JQQ9_ende ~~go d~LlttjgtQn_~inQtat1l2~~
--composicion~ n~L(fjgiJ2xql_~os amilisis de dilatacion permiten determinar~~ -con-SIifiCiente confianza si un carbon tiene un buen poder de coquizaci6n (dilatacion
50-140) Sin embargo estos analisis no son cap aces de revelar las razones que ocasionan diferencias en el poder de coquizacion de mezclas de carbones con el mismo contenido de volatiles En este caso unicamente la microscopia perrnite dar una respuesta
Diferentes panlmetros se usan por los operadores de homos de coque para diseiiar y controlar la calidad de las mezc1as coquizantes ejemplos de esos son los siguientes
bull -
Liptiilitos -I
I I
I bull
c + u
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Vitrinitas
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- C de la vitrinita
FIGURA 19 Dilatation devitrinitas y liptinitas (llenendez R 1995)
67
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360r
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a
40
o
-40350
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J 500
Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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HII Yubagt 2i 500 ddp m
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Akab ~ It J Ash bi I I
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l I Wollondlllvl j ~~ Campo de mezcla de carbon Mal I I I t~~~ para hacer Coque
I I t~~( - I I -ij
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~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
lt~ 1 I maXlma yranIJO deloscarbones
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gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
1 Indan Ridge Hebbunf~ TOro I I f VieaY2 (I bull 12 bull I ~
Newaell2 I t Mour2
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ne$ 26-34 I )~ It~n~ 81t~ e shy 11 bull Betrice
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
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Materiall ndice de Volatil hinchashy
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252 I 9
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242
250
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( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
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~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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i I
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
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JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
93
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I
inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
95
1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
96
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
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I
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
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Temperatura (OC)
FIGURA 20 Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo~Ienendez R 1995)
A Propiedades de plastometria Gieseler EI rango de los carbones rnezc1ados rnedido por la retlectancia y 1a tluidez maxima detenninada por el plastornetro Gieseler son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa Como se indica en la Figura 21 las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser Retlectancia media maxima de la vitrinita 08 a 12 Fluidez maxima 50-000 ddm La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 920 (JIS-DI IS 30) EI diagrama se divide en 4 cuadrantes Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados Los carbones del cuadrante III tienen blio rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar
68
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~e NewdeU I MOU I _ Relaclone entre fluldez
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gt--If I en el calo de baJo CClntenldodegt- f Inertel _ t I 1 f L middotCanad My USA Lv VM 17-21 I I WOOndilly21 IVM 21-25 Inerts B5-24-i I bull Liddell I ines 26-34 _ )
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00 de eieCfanda media de 10 vitrinito
FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
71
Materiall ndice de Volatil hinchashy
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FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
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FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
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GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
95
1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
96
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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FIGURA 21 Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac) el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen (Ward c 1984)
B Propiedades dilatometricas En Europa las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezcas se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M para coques producidos de tales carbones y mezcas EI indice de coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como sigue
G (E + V2) x (k + dVk + Ed)~ Donde
E-~ Temperatura de ablandamiento (OC) V ~ Temperatura de resolidificacion (0C) k Porcentaje de contracciOh d Porcentaje de dilataci6n
69
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
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Materiall ndice de Volatil hinchashy
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FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
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FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
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06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
93
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I
inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
95
1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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I
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
r
4512 Propiedades petrognificas
Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque tales como resistencia sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado
Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses) porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto El uso de un valor simple de 13 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia
La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22 Cuando se considera en una base seca libre de materia mineral la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias
Dependiendo del rango del carbon vitrinita liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan El resto de la inertinita tambien como mucha de la materia mineral permanece inalterada Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale
Para carbones de un rango dado el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 135 Y luego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
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Materiall ndice de Volatil hinchashy
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FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
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~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
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02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
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~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
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c 0 Q shyo ()
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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Campana pequena Tolva principal Campana grande
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l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
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TI ( VOL ~( I
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Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
T
Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
90
r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
94
FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
I
T~
universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
95
1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
96
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
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I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Reflectancia de vitrinita
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FIGURA 22 Relacion entre propiedades petrograficas y a Porcentaje de materia volanl y b indice de hinchamiento para carbones Australianos EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon (Ward C 1984)
En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente La Figura 23 muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 13 ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia En todos los casos la reflectancia media es esencialmente identica
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FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
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shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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Luscar Bulli t)bull K-10
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90 80
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02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
74
-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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Gas de salida
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Campana pequena Tolva principal Campana grande
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escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
gt
I
-1
compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
Materiall ndice de Volatil hinchashy
miento
252 I 9
242
242
250
bull=10 Vol
~ 40 I Rm S V 3 gt 30
( 2 shy 20 113 r 10063
I 0
I I
~ 126 10117
(0372)
0553)
FIGURA 23 Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento (Menendez R 1995)
La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se unemiddot a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final
Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango hay una relacion optima de componentes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24 Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes la resistencia del coque disminuye Schapiro et al l961 han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula
72
~
~
[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
25r----------------------------~- 962
l 20 GI e 15
In
~ 10 CJ o ~ 5
oI J I I I
3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
952 ~ 0
rmiddotB~ 909 =
shyCJ 0
833 ~
FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
73
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i I
I
I
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Continental
92
~ American-LV Beatrice Keystone
( Itm-ann IY~lOW stone Smoky River
Cando MV ~AUS-LV
Saxon ~ SOVYiet Peak downs bull B_almer - S~uth Fording
Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
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-yshy
procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
I II
II
II
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4gt~i~iiLw MUfraa ct carbon
Molino d martlllo
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bull i ~ bullbull 1bull Carta d
IP-shy ____ ntrlomlenfo brusco
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y-~~ny~ ~~ rr---7fJiilr--r~ ogua C ~~
~ ~l~~~l EIIIGOI 4-~~_
fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
T
estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
~
~
)
~
Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
I
T
~
c 0 Q shyo ()
o o c o
QI-o ~ 0 cu
E
FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
j
~
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~
t
I
It
~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
8 bull
- roo g
0)
~ 4
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TI ( VOL ~( I
o 2
Ro (00)
FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
r
454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
T
457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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[Be = (Total de inertes en la mezcla) rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima RI (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima RI (Vt 2) + + [Total Reactivos (Vt 21) Relacion optima R I (Vt 21)]
Donde El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 23 semifusinita
El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 13 semifusinita y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita equivalentes a los tipos de vitrinita
Un carbon con un me menor que 10 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s Un carbon con un me mayor que 10 tiene un exceso de componentes inertes pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados
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3 5 7 9 l 13 15 17 19 21 Tiposdeshy vimiddottrinoides
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FIGURA 24 Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides (Ward C 1984)
La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque no necesariamente tendni la misma resist en cia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente Otra propiedad Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1 en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25
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Luscar Bulli t)bull K-10
~almer bull Vicary Creek
~__i~ Aus-MV
90 80
50
JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
78
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
i I I i
coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
~
46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
90
r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
91
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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JIS- 00 indice detambor 01 ~ (coque del horno de prueba)
02 03 04 ao
06 OS 10 15 25 40 Indice de ~Qlance de ~omposicion
FIGURA 25 Relacion entre el in dice de balance de composicion el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015 (Ward C 1984)
452 Correlacion del carbon y las propiedades del coque
En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 5050 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5) Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible
Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26 Este
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
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Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
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Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
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Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
97
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg de capacidad de paredes moviles pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias tales como las obtenidos de corazones de perforacion y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos masgrandes
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fialCOl - Tamlzado shyII II 1 FIGURA 26 Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de
coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones (Ward C 1984)
453 Proceso de carbonizacion
Cuando se calienta en ausencia de aire el carbOn coquizable pasa a traves de lossiguientes estados
a 350-550degC el carbOn reblandece funde pierde vohitiles y se vesiculiza NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirnafluidez para luego disminuir
b 450-550degC el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn si tiene e1 rango adecuado atraviesa por un
75
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
76
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
77
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QI-o ~ 0 cu
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
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Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
84
~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
86
T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
88
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
r i
aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque EI sOlido formado a esta temperatura recibe el nombre de semicoque
Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion d eshidrogenati va Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coqueisotropo
c 550- 1000C se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque setransforma en COQUE
4531 Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n De acuerdo a Menendez R 1995 durante el proceso de coquizacion los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes
Vitrinita bull Se vueIve pIastica
bull Desan-olla porosidad inicialmente en la resinita que rellena la telinita bull La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 de mosaicos)
Liptinita
bull En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se convierte en fluida a 410-4250C
bull Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada bull La mayorfa se volatiIiza formando gas aceites y alquitranes bull Cuando reacciona con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con PRY de 085
bull Cuando esta asociada con la inertinita el tamailo de los poros que generacorresponde al del maceral1iptinita (esporas)
bull En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo dominio de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita
Semifusinita
bull Intermedia entre vitrinita y fusinita bull Asociada con vitrinita funde bull Ais]ada dificilmente se mezcIa bull Sus coques pueden presentar arusotropia
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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Gas de salida
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fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
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Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
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Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
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Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Fusinita bull Inerte bull Centro de fonnacion de fisuras
Micrinita bull Puede ser reactiva bull Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion
Macrinita bull Semi-reactiva bull Su reactividad depende de su reflectancia
4532 Carbonizacion comercial EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden Diehos compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son Hidrogeno monoxido de carbono metano Heor amoniaeal benzol (benceno tolueno xileno) y alquitran Figura 27
I CION I Carbonizaci6n
Gas de Licor Benzol crudo Alquimn Coque Amoniacal Benceno Tolueno Decarb6n
H2CO~ Xileno
Combustible FertiliZantes Materias primas para Insecticidas manufactura del Retardadores la industria plastica Resinas hierro y el acero
Materiales ligantes If
Subproductos del homo de cCXJue
FIGURA 27 Subproductos del homo de coque (Menendez R 1995)
La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso Figura 28
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
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l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
89
Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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FIGURA 28 Factores que afectan al proceso de coquizacion propiedades del carbon y condiciones del proceso (Menendez R 1995)
Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de shyhierro en el alto homo Figura 29
EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de car bones seleccionados De otro lado cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular esta es conocida como char EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado) 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional
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~I l )1 Vagan alimentador
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Campana pequena Tolva principal Campana grande
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~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
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Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
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So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
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Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
98
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~I l )1 Vagan alimentador
Gas de salida
1
fmsectTOlva de recibo
Campana pequena Tolva principal Campana grande
~ Linea de almacenoje= Coon de rimeneo
i Atalaje d-e olto~pmn ~J
l T Ronura
Hoger d ~ de 5011 a
escoria
~Hii~ ~ VVI Or Hueca de salido del hierro
FIGURA 29 Seccion transversal de un alto homo (Ward C 1984)
El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque Basicamente los granos de carb6n se fund en y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar carb6n grafitizable atraves de la fase liquidashycristal La fluidez producci6n de coque y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral Mochida y otros 1994
La Figura 30 ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez
79
--shy
~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
--shy
r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
81
Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
82
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
83
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
85
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
87
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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1
r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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~ La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes mientras la vitrinita y
liptinita como macerales activos Hay macerales intermedios entre los activos e inertes Ammocob reporte que 13 de ta1es macerales fueron fusibles
La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria Se reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad
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FIGURA 30 Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF) A Alto rango carbones no a ligeramente coquizables A Bajo rango carbones no a ligeramente coquizables B Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido
de inertes totales C Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido
de inertes totales D Mezcla de carbon de A 0 A y C E Mezcla de carbon de B y C (Mochida y otros 1994)
La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria la cua esta constituida por un numero de homos situados en serie Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon Figura 3 1
80
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
r
Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r Carbon lavado y malido
_-+-t--0eposito de cargo
Huecas de corgue
Ascension de tubas Coleccion principal de gas
Tolvas
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Horno de carbdn
Desechos de calor lavador y vONulas de aire II 1
Desecho de fluja de color
Suministrode gas combustible 01 aHo terno
Suministra de gas combustible 01 horno de coque
FIGURA 31 Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion (Ward C 1984)
Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800degF Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua Figura 32
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Piston
Comara de coquizocion
IIJiij - tmiddot ~
So c J cJcJ~ tl
Carro de enfriamienfo rcipido
I)
Carro de cargue esta preparado para cargar el carbon
El carbon se carga dentro de la camara de coquizacion
El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston
Despues que el carbon se coquiz~ las puertas de ambos Iados se abren y se prepara el carro donde se enfria eI coque
El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria
FIGUJl1 32 Dustraciou del procedimieuto de coquizacion
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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~
carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
f
4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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454 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque
La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion
La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que Estudios llevados a cabo por Gray y Col 1976 y CrelIing y col 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion produce los siguientes efectos
bull Perdida de resistencia del coque bull Aumento de la reactividad bull Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque bull Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del
proceso
La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas Los hechos mas significativos son
bull Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbongt de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula
bull Desarrollo de un sistema secundario de fracturas bull Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales
455 Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque
a Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental Estrictamente hablando esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque ya que las cenizas represent an solamenteel residuo dejado despues que el material se ha quemado
La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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coque para propositos de fundicion Las cenizas las cuales son comunmente acidas tambien consumen mas caliza
Cada I de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6 y hace necesario utilizar 10-20 Kg mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente
b Sulfuro y fasforo EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero ya que 10 hace quebradizo y fragil EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0050 PinchbeckSellars 1970 (en Colin R Ward edit 1984) un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo EI contenido de fosforo delcoque varia de 002 a 007 con un maximo deseable de cerca de 003
c Materia vohitil EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro Con el fin de producir este carbon es necesario remover por devolatilizacion esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo
EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1 Asumiendo que todos los carbones coquizables independiente de su rango se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion Sin embargo la produccion de varios subproductos (alquitran gas etc) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable
456 Propiedades fisicas del coque
Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQlponente cuyas propie~ades individuales son conocidas para producir un coque de la especificacion deseada EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de campIbono producido en el alto homo pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas petrograficas y de coquizacion de los
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
r
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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carbones componentes es una tarea dificil especialmente cuando se tienen nuevos carbones y por est a razon coques experimentales producidos en homos piloto se analizan siempre y cuando sea posible
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4561 Medida de la resistencia del coque La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion) Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion
4562 Reactividad Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono Esto es indeseable en la operacion de los altos homos porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro Se prefiere una reactividad baja al C02shy
La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35 La resistencia despues de la reaccion otro parametro medido en la prueba deberia ser al menosmiddot el 50 del que tenia antes que se presentara la reacci6n EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque
4563 Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas dentro de ellas Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita cisco de coque coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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457 Funciones del coque en el horno alto
El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro Se introduce aire caliente dentro del homo cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico el cual se recoge en el fondo del homo La caliza tambien funde y va al fondo flotando sobre el hierro metalico Peri6dicamente se recoge La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas Figura 29
Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales
bull Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo bull Suministra energia en forma de calor para las reacciones bull Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico
Para ello el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso Resistente para soportar el peso de los materiales y poroso para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso
458 Operacion del borno y resistencia del coque
La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos La carga para los homos de coque ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones se pulveriza de tal manera que cerca del 85 pase la malla de 3 mm y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total
La Tabla 13 da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados 0 carbonizacion de carbon meteorizado Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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T TABLA 13 Propiedades del coque de alto horno Summers 1979
(Ward C 1984)
indice de tambor 0[30 gt93 15
01 150 gt83 15
Indice Micum M40 gt749
MID lt88
Rango de tamaiio (mm) 25-75 r Tamaiio medio (mm) 50plusmn5
() lt25 mm lt5 () de reactividad del C02 a 1100degC lt35 Resistencia a la reacci6n posterior ( gt10 mm) gt48 () de humedad 40plusmn15 () de ceniza 10plusmn05 Azufre total targetplusmn002
459 Coque formado y procesos de formar carbon
Varios desarrollos en la tecnologia de hacer coque se han intentado por la necesidad de reducir el costa del co que en el alto homo y para extender el rango de los rangos y tipos de carbones que se pueden incorporar dentro de las mezc1as coquizantes en los altos homos En particular es posible incorporar una significante cantidad de carbones de bajo rango 0 altos en vohitiles en ese proceso EI proceso del coque formado como el nombre 10 dice involucra la carbonizacion de un carbon 0 una mezcla de carbones que han side comprimidos en forma de briquetas Un ligante se puede adicionar antes de hacer las briquetas 0 en el caso de la briquetaci6n en caliente uno de los componentes de la mezc1a con una alta concentracion de macerales reactivos puede actuar como Iigante por si mismo La carbonizacion final de las briquetas se efectua usualmente en un homo de chimenea alta
En algo diferente del proceso de carbon formado parte de el coque normal molido se briquetea usualmente con un ligante Las briquetas luego se mezc1an en el homo de coque normal antes que la mezc1a se 81imente en el homo de coque El proceso SUMI-COAL Sunami et 81 1978 permite que cerca del 2000 de carbones no coquizables se usen en la 81imentacion del homo de coque con la ayuda del metoda de formar carbon
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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4591 Tecnicas especiales de cargar el horno de coque El precalentamiento de la carga del homo de coque pennite una considerable reducci6n en el tiempo de coquizaci6n y as) se incrementa substancialmente la productividad del homo de coque Manteniendo el periodo de carbonizaci6n nonnal pero disminuyendo el flujo de temperatura es tambien posible usar carbones de mas bajo grado de coquizacion en la mezcla precalentada
EI precalentamiento permite que un amplio rango de tipos de carbones se puedan usar para la elaboracion del coque La operacion satisfactoria depende de la seguridad y transferencia rapida del carb6n desde el precalentador hasta los homos de coque y al mismo tiempo el control de la poluci6n atmosferica y la prevencion de la oxidacion del carbon
Aunque no es un nuevo desarrollo el cargue estampado esta adquiriendo renovado interes porque este proporciona un medio de utilizar carbones altos en volatiles para la manufactura de coque de alta resistencia Leibrock et aI 1979 En este proceso el carbon que alimenta el homo de coque es compactado en una maquina estampadora y empujado dentro del homo horizontalmente como una tableta solida rectangular de aproximadamente las mismas dimensiones intemas del homo EI estampado produce un significante incremento en la densidad total de carga
4510 Subproductos del homo de coque Ademas del coque metalurgico la carbonizaci6n del carbon tambien produce importantes cantidades de materiales gaseosos y liquidos a medida que los componentes volatiles se desprenden El principal subproducto del proceso son los
gases del carbon Hcor amoniacal benzol crudo y alquitranes de carbon La produccion de cada componente tambien como la composicion de las ftacciones de alquitran y benzoles depende de la temperatura a la cualla operacion se lleva a cabo y del rango y tipos de carbones utilizados
La carbonizacion de carbones altos en volatiles especificamente para produccion domiciliaria de gas fue una industria mayor y contribuy6 con significantes cantidades de varios subproductos inc1uyendo coque para el calentamiento domestico hasta que este fue desplazado en muchasareas por el suministro del gas natural Los subproductos liquidos y gaseosos del carb6n se recuperan principalmente de los homos usados para la elaboraci6n del coque metalurgico Muchos de esos mismos materiales tambien se producen en asociaci6n con la refinaci6n del petr6leo EI uso de carbones altos en volatiles en las operaciones de coquizaci6n se ha vuelto economicamente mas atractivo porque los subproductos adicionales obtenidos compensa la mas baja producci6n neta de coque dada por estos materiales Sinembargo hay un limite a la proporci6n de carbones altos en volatiles que pueden incorporarse dentro de las mezclas convencionales para la producci6n de coque en un alto homo
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Los alquitranes licores y gases producidos como subproductos en los homos de coque se condensan y varias fracciones se separan para posterior procesamiento EI gas de los homos de co que (esenciaJmente una mezc1a de hidrogeno monoxido de
f carbona y metana) se recic1a para usarse como combustible en los homos de coque y cualquier alto horno asociado aunque de alguna manera tambien puede distribuirse a otras industrias El licor se condensa como una soluci6n de amonio y se convierte en sulfato de aluminio por reacci6n can acido sulfUrico EI sulfato de aluminio puede usarse en la producci6n de fertilizantes 0 como un retardador del fuego en un amplio rango de aplicaciones
Muchos de los benzoles se llevan desde los procesos de condensaci6n inicial con los gases del homo de coque Este se extrae del gas por solucion en un dispers~r de
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aceite despues de 10 cual la mezcla de benzol y aceite se separa por destilaci6n Los benzoles consisten predominantemente de los hidrocarburos aromaticos benceno tolueno y xileno (BTX) y se usan principalmente como materia prima para la industria del plastico
Una indicacion de la naturaleza de las varias fracciones del alquitran de carb6n se da en la Tabla 14 Esos materiales se usan para un amplio rango de propositos inc1uyendo insecticidas resinas materiales tinturantes y ligantes La brea de alquitran de carb6n se usa en la elaboraci6n de anodos para refinaci6n de aluminio EI alquitran de carbon se puede usar como un sustituto del combustible de caldera bajo ciertas circunstancias y tambien en lugar de bitumen en la construcci6n de caminos
TABLA 14 Fracciones obtenidas de la destilacion de alquitranes de carbon - - ___ --- ---- - -- - a- - -- - - - ~ -
Producto
Aceite liviano Aceite naftalina Aceite creosota Aceite antraceno Brea
Bango de ebullicion ee)
lt195 195-230 230-300 gt300
Acidos alquitranosos
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Masa producida ()
10 120 I
I60 200 600
shyi10
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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46 SISTEMA DE INYECCION DE CARBON PULVERIZADO EN ALTO HORNO Y SU CARBON DE ALIMENTACION DESEADO
461 Inyeccion de carbon pulverizado en alto horno
A Historia del desarrollo de la tecnologia EI primer sistema de inyeccion de carbon pulverizado (PCI) fue desarrollado por Armco Steel (ahora AK Steel) en los trabajos de Asland Kentucky en 1963 La fuerza que estuvo detnis del desarrollo de esta tecnologia fue la necesidad de reducir el consumo de co que metalurgico en el alto homo de hierro reemplazando coque con carbon La tecnologia no se disperso a traves de la industria en Norte America 0 el mundo porque habia un suministro relativamente abundante de carbones de grado metalurgico y las plantas para elaboracion de coque tambien estaban disponibles En efecto pasaron 20 anos antes que la proxima instalacion de PCI fuera construida en 1983 en la planta Sollac en Dunkerque Francia Se demostro que dicha tecnologia era muy adecuada y por 10 tanto se difundi6 nipidamente a aproximadamente todos los altos homos en Europa Occidental y Japon A la fecha mas de 70 plantas PCI se han
construido en esas regiones
La capacidad de fabricaci6n de coque en los Estados Unidos estuvo notablemente estable hasta 1980 cuando esta empezo a decrecer desde 46 millones d~ toneladas por ano a solamente 22 millones de toneladas en 1994 Island Steel salio del mercado de elaboracion de coque en 1993 La capacidad de hacer coque domestico se espera que continue disminuyendo como en 1990
La tecnologia del PCI volvio a los Estados Unidos a principios de 1993 cuando la US Steel empezo las operaciones de las plantas PCI en el trabajo Gary Inland Steel fue el proximo con el inicio de sus plantas PCI a finales de 1993 Dos plantas PCI fueron traidas en linea en 1995 en los quemadores de acero Benthlehem y la Lorain Steel USSlKobe Dos instalaciones mas PCI iniciaron operaciones en 1996 Virtualmente la permanencia de la industria del acero en Norte America esta evaluando alguna forma de inyeccion 0 carbon de combustible altemo y se espera que hayan muchas nuevas plantas de PCI antes del ano 2000
El sistema PCI permite reducir el consumo de coque a traves de la inyeccion directa de carbon pulverizado al alto homo En condiciones favorables la relacion de coquecarbon puede ser de 1 1 10 cual conduce a una reduccion del uso de coque a la mitad
En general los beneficios asociados con esta tecnologia son los siguientes
bull A1 requerir menos coque se reducen las ennSlones gaseosas a la atmosfera producidas durante la coquizacion los equipos de control de estas emisiones son muy costosos
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r Hay una reduccion significativa de costas al poder usaf un combustible relativamente barato en vez de gas natural a petroleo Ademas se ahorra en carbon coquizable que
es un recurso costoso yescaso
bull La PCl se puede aplicar en esencia en todos los altos homos de los Estados Unidos y de otros paises y puede usar carbones de bajo rango
La PCI permite que el homo de coque opere a una temperatura mas baja durante un period a mas largo par tanto la vida utH de este la cual es comunmente de 35 a 40 arias se puede ampliar A su vez al disminuir la temperatura se reduce el consumo de combustible para calentar el homo y asi se disminuyen las emisiones de CO2
B Descripcion del proceso La inyeccion de carbon pulverizado tiene dos funciones
L Secar y maier el carbon 2 Inyectar el carbon pulverizado en el homo alto
B 1 Sistemas de molienda y secado Moler y secar el carbon se ha llevado a cabo desde hace muchos ooos En muchas aplicaciones el carbon se sec a 0 se muele pero no se llevan a cabo ambas actividades El carbon se muele y seca en las aplicaciones pero el carbon molido se usa inmediatamente En el PCI el carbon se debe almacenar para usa posterior despues de que este se ha molido y secado Muchas de las instalaciones de secado y molienda del PCI tienen cuatro rasgos comunes Esos rasgos son manejo del carbo~ un pulverizador una fuente de gas caliente y un equipo de coleccion de carbon Los ultimos tres iasgos usualmente se hallan en sistemas separados dentro de la planta PCl Eso es si Ia instalacion PCI tiene mas de un pulverizador este usualmente tiene su propio colector de carbon pulverizado y fuente de calor
EI equipo de manejo de carbon en la instalacion PCI sirve para mover el carbon crudo desde su fuente dentro de un silo de almacenaje de carbon crudo el cual alimenta el carbon al pulverizador El tipo de equipo usado para este proposito varia ampliamente y es el mismo que el usado en la industria Muchas plantas tienen un campo de carbon asignado Sin embargo hay instalaciones Iascuales tienen silos de carbon crudo en vez de campos de carbon y hay aun unas pocas las cuales cargan el carbon directamente a el silo de almacenaje de carbon crudo El rasgo comun entre todas las plantas es el equipo para remover basura especialmente hierro del carbon antes de usarlo
Uno 0 mas pulverizadores se usan para moler el carbon crudo en la planta PCL Esos pulverizadores son los mismos que los utilizados en la industria y caen dentro de la categoria de los molinos de bolas a rodillos Usualmente alimentadores volumetricos o por peso se usan para alimentar el carbon crud a del silo de almacenaje a el pulverizador
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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Las especificaciones de molienda para el sistema PCI general mente estim dentro de una de dos amplias categorias~ granular 20 pasante de malla 200 0 pulverizado 60 a 8000 pasante de la malla 200 Alli tambien puede estar la especificacion para el material mayor retenido en el range de la malla lOa la 50 La seleccion de la molienda se basa en las caracteristicas del sistema de inyeccion y la operacion del alto homo
Se requiere gas caliente para secar el carbon antes de que este sea llevado al sistema de recoleccion de carbon pulverizado Las dos principales fuentes de aire caliente provienen de la combustion 0 del gas residual del alto homo El ultimo es el producto de calentamiento durante la combustion en el alto horno El gas residual es bajo en contenido de oxigeno (usualmente 1 0 menos) y esta compuesto principalmente de
nitrogeno y bi6xido de carbono con muy bajos niveles de combustibles
r 1 Una vez que el carbon se ha pulverizado y secado este se transporta por el proceso de
gas al equipo de coleccion Hay dos escuelas de pensamiento acerca del diseiio de los sistemas de colecci6n de carbon pulverizado Los Europeos y los Japoneses prefieren el uso de grandes bolsas de recoleccion con camara de salida para colectar el carbon pulverizado Los Americanos de otro lado se inclinan hacia pequeiias bolsas de recoleccion con cic10nes instalados antes de que elIos capturen mucho del carbon Ambas tecnicas tienen ventajas y desventajas pero ambas trabajan bien si estan bien disefiadas
La mayor diferencia entre el sistema PCI y la operacion con caldera esta en el manejo del carbon despues de que este es pulverizado En la caldera el carbon es combustionado inmediatamente despues de que es pulverizado pero en el sistema PCI el carbon pulverizado se debe colectar y almacenar por horas 0 aim dias antes de usarse EI carbon pulverizado tambien puede transportarse por camiones 0 ferrocarril desde las plantas de molienda y secado al alto homo donde este sera inyectado aumentando el tiempo de almacenaje requerido
Hay un dicho en la industria PCI que dice que cUalquiera puede moler el carbon pero no todos pueden colectar este La coleccion almacenaje y manejo de carb6n pulverizado adiciona un grado de azar a la operacion Se han presentado un cierto numero de incendios y explosiones en las plantas PCl Estos azares han dividido en dos campos la filosofia operante la cUal esta detras del sistema PCL Hay sistemas los cuales operan a mas altas temperaturas pero mas bajos procesos gas oxigeno y otros sistemas los cuales operan a mas bajas temperaturas pero mas altos procesos gas oxigeno EI proposito de esta filosofia es evitar que entre un regimen operante puedan ocurrir incendios y explosiones
Para que ocurra un incendio 0 una explosi6n se requieren tres condiciones
1 La concentraci6n de polvo de carbon debe estar por encima del limite mas bajo de inflamabilidad y debajo del limite superior de inflamabilidad En cada sistema de coleccion de polvo~ hay siempre algUn lugar donde la concentraci6n de polvo de carbon esta inevitablemente dentro del range inflamable
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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2 Debe haber suficiente oxigeno para que se presente la combustion El nivel de oxigeno requerido para que se presente fa combustion del polvo de carbon esta entre 10 Y 12 Los sistemas PCI los cuales operan con contenidos de oxigeno por debajo de este nivel estan operando seguramente Los procesos de gas con bajos contenidos de oxigeno se pueden obtener usando un gas residual con bajo contenido de oxigeno tal como el SWG 0 por recircular parte del gas de salida de el sistema PCL Los sistemas de recirculacion del gas residual pueden reducir el contenido de oxigeno del proceso desde mas del 18 10 cual es tipico para un sistema de quemador de combustible pulverizado a menos del 10
3 Se requiere una fuente de ignicion para la combustion Los sistemas altos en oxigeno dependen de no permitir que una fuente de ignicion entre 0 pennanezca en el sistema Los procesos de temperatura de gas mas bajo se usan para reducir el potencial para la oxidacion 0 la propagacion de una chispa generada por el pulverizador Se presta atencion para evitar que cualquier vigorizacion la combustion espontanea del carbon se pueda presentar en el sistema A pesar de los esfuerzos la gran mayoria de los incendios y explosiones estan en las operaciones altas en oxigeno
462 Sistemas de inyeccion de carbon pulverizado
EI proposito del sistema de inyeccion es tomar el carbon pulverizado desde el silo de almacenaje e inyectar este en el alto homo de fabricaci6n de hierro Todo el sistema de inyeccion utiliza algiln tipo de recipiente y presion de gas para transportar el carbon Los sistemas de inyecci6n se pueden c1asmcar en dos grupos Sistemas de alimentacion individual de toberas y sistemas de alimentacion unifonne de toberas En el primer tipo de sistema el carbon pulverizado se transporta en una linea separada desde un recipiente de inyeccion a cada tobera del alto homo En el segundo tipo el carbon se alimenta por una linea simple desde la vasija de inyeccion a un distribuidor desde el cual se separan las lineas que alimentan cada tobera Solamente los sistemas de inyeccion los cuales estan localizados inmediatamente adyacentes al alto homo tendran el primer tipo de arreglo
El metodo de transporte del carbon es en fase densa 0 diluida EI transporte de fase densa utiliza un diametro de tubo relativamente pequeno una alta relacion solido a gas bajas velocidades de gas y altas presiones de trans porte mientras el transporte en fase diluida requiere lineas de diametro mayor mas bajas presiones mas altas velocidades de gas y menores relaciones solidos a gas Los distribuidores se pueden usar con ambos metodos de transporte de carbon pero ellos son mas faciles para disenar con transporte de fases densas El gas transportado puede variar desde totalmente inerte (tal como nitrogeno) a reactivo (tal como aire)
Hay dos maneras de hacer continua la operacion de inyeccion Estas se muestran en )a Figura 33 En el primer diseno se usan dos vasijas de inyeccion las cuales suben en zigzag y hacia adelante Asi cuando una vasija queda vacia la otra empieza la
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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inyeccl(in La vasija vacia se despresuriza se carga con carbon pulverizado y se presuriza esperando la necesidad de subir desde la otra vasija de inyeccion EI segundo medio de proporcionar la operacion continua involucra el usa de tres vasijas colocadas una sobre el tope de la otra EI tope de la vasija esta a presion ambiental recibe carbon pulverizado del silo de almacenaje y se separa de la vasija intennedia por medio de una valvula La vasija intennedia sirve para aceptar carbon y presuriza este a la presion de inyeccion Una vez presurizado una vruvula entre la vasija intennedia y el fondo de la vasija de inyeccion puede abrirse y llenar el fondo de la vasija que esta trabiando La vasija media luego se despresuriza y prepara para recibir mas carbon
Sistema de compartimientos mutpJe
l Almacenaje de carbOn pulverizado
Almacenaje de corb6n -- pulverizado
Compartimiento de transf
Comporlimi enfo InecJor
Comportimiento i nyector --+
GAs-
GAs ~ Dfstri buidor
La inyeccion de carbon y la maxima middottasa de inyeccion que se puede obtener aim esta en desarrollo Annco Steel en los aiios 60 disei16 sus plantas PCI para inyectar cerca de 50 KglMg (l00 Ibt) de carbon pulverizado en cada uno de los dos homos produciendo cerca de 4500 Mgd (5000 tid) de metal caliente EUos descubrieron que se podian obtener tasas de inyeccion mas altas si se producia mas carbon pulverizad0 entonces cambiaron sus especificaciones de molienda desde 80 del pasante de la malla 200 a 60 del pasante de la misma malla y optimizaron el sistema para la maxima produccion En J 980 eUos fueron capaz de producir suficiente carbon para obtener una tasa de inyeccion de J50 KglMg (300 lbt) en un homo despues de que el segundo alto homo se les daiio Este fue el primer ejemplo del problema
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FIGURA 33 Diferentes tipos de sistemas de inyecci6n (Landreth R 1996)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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universal de las plantas PCI~ por ejemplo no tener Ia capacidad de obtener la maxima tasa de inyeccion que el alto homo puede aceptar
Sollac Dunkerque y Hoogovens ljmuiden estim construyendo plantas que lesr permitirim probar tasas de inyecci6n de 250 KgMg (500 lbt) durante 1996
4621 Efecto del carbon en los sistemas de molienda y secado PCI
a Efecto sobre el manejo del carbon La descarga de carbon en un campo 0 silo de almacenaje y su posterior reduccion para uso en el pulverizador es tan importante a la confiabilidad de la operaci6n PCI como cualquier otra funcion
Para minimizar cualquier problema de manejo del carbon la humedad superficial debe ser menor del 7 y el porcentaje de particulas que pasan la mall a 28 debe ser menor del 1500
b Efecto del pulverizador y la fuente de calor EI pulverizador y la fuente de calor dentro de la operacion de molienda y secado son entidades separadas pero se consideran juntas en el registro del impacto de las propiedades del carbon
La dureza del carbon quemiddot se mide por el indice de molienda Hardgrove tiene el mayor imp acto sobre la habilidad de los pulverizadores para producir la cantidad deseada de carbon pulverizado con el tamafio adecuado Muchas instalaciones PCI utilizan carbones con un indice de molienda entre 45 y 55
Cada pulverizador y fuente de calor tiene limitaciones en cuanto a la maxIma temperatura de operacion y salida de calor La humedad del carbon crudo impacta negativamente la capacidad de produccion del pulverizador del sistema PCL La maxima temperatura de entrada a el pulverizador es nonnalmente el factor limitante en el calor de salida y se basa en la temperatura de tolerancia del pulverizador la capacidad de la fuente de calor la filosofia de la operacion y 1as propiedades del carbon
Muchos pulverizadores pueden tolerar temperaturas de entrada de al menos 300degC (572Of) sin danar cualquier so porte 0 mecanismo interno
Los sistemas de molienda y secado del PCI en Inland Steel utilizados en los altos homos tienen el gas residual como la fuente de calor Este gas Uega a los pulverizadores con una temperatura de 250degC (482degF) Una fuente de calor adicional tendria que desarrollarse para pennitir las operaciones a mas altas temperaturas En los sistemas con combustible para combustion las fuentes de calor pueden proporcionar gases calientes por encima de 300degC (572degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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r Los sistemas de molienda y secado que operan con condiciones bajas en oxigeno tienen uno de los otros tres factores como el limite a la temperatura de entrada al pulverizador Los sistemas que operan bajo condiciones altas en oxigeno restringen la temperatura de entrada al pulverizador a 280degC (536degF) en un esfuerzo para minimizar el peligro de incendios y explosiones
La temperatura de entrada al pulverizador se mantiene general mente por debajo de la temperatura a la cual el carbon empieza Ia devolatilizacion con el fin de evitar cualquier posibilidad de iniciacion de un incendio 0 explosion
c Efecto sobre la coleccion de polvo Se ha encontrado que las propiedades del carbon tienen poco impacto sobre la operacion de los baghouses (bolsas recolectoras de poIvo) y ciclones usados para la coleccion de carbon pulverizado Esto se debe a que el carbon pulverizado es aun grueso para los equipos estandares de coleccion de polvo y cambios menores en el tamafio tienen poco impacto Se ha reportado que los carbones mas blandos pueden causar problemas en los equipos de coleccion de polvo los cuales llegan a operar con problemas 0 en el peor de los casos a producir incendios 0 explosion
d Efecto del carbon sobre los sistemas de inyeccion Muchas plantas PCI tienen especificaciones del tamafio tope con el fin de evitar taponamiento en las lineas de inyeccion EI impacto de los carbones blandos ha sido pronunciado en los sistemas de inyeccion con lineas reforzadas y donde frecuentemente ocurre taponamiento Algunos se han referido a esos carbones como pegajosos basados en su propensidad para causar taponamiento
EI contenido de humedad del carbon pulverizado puede influenciar el desempefio del sistema de inyeccion Normalmente el carbon pulverizado que contiene 1 0 menos de humedad total no presenta problemas de inyeccion Un carbon con una alta humedad inherente producira un carbon pulverizado con un cOiltenido de humedad mas alto el cual puede causar problemas de taponamiento Para evitar este problema Inland Steel tiene como limite un contenido de humedad inherente de 300 para los carbones crudos
e Efecto del carbon sobre la operacion del alto homo A altos niveles de inyeccion las propiedades del carbon pueden tener un efecto mayor sabre la cali dad del metal caliente y el desempefio del homo Los componentes quimicos inorganicos en el carbon se transfieren a el metal caliente 0 a la escoria 0 se pega dentro del alto homo La composicion organica del carbon y su contenido de ceniza detennina la relacion de coque reemplazado a carbon inyectado Las propiedades petrogr3ficas del carbon determinan las caracteristicas de combustion en la guia La necesidad de controlar esos factores ha hecho la seleccion de los carbones para el PCI mucho mas dificil y no meramente basado en el costo aunque este siempre sera un factor importante a tener en cuenta
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores
3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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lnland Steel tiene las siguientes especificaciones que el carbon para inyeccion puede contener maxima cantidad de sulfuro (095) cloruro (015) Y fosforo (001) EI sulfuro terminani en el metal caliente 0 en la escoria y es un producto indeseable en ambos casos Sin embargo algun nivel de sulfuro se tolera El cloruro en el carbon se convierte en acido clorhidrico el cual termina en el sistema de limpieza del gas donde este puede causar problemas de corrosion As se deben mantener niveles bajos de cloruro EI fosforo va exclusivamente a el metal caliente donde este puede causar problemas de fragilidad en el acero procesado si esta en muy altos niveles
EI incremento en el contenido de sulfuro tiene dos efectos sobre la operacion del alto homo Primero el mas alto contenido de sulfuro baja el contenido de carbono del carbon requiriendo mas carbon para proporcionar el mismo nivel de reemplazamiento de coque Este impacto usualmente es menor si Ia variacion en el contenido de sulfuro entre los carbones es del 01 EI segundo efecto se relaciona con la necesidad de mantener el mismo contenido de sulfuro en el metal caliente La cantidad de escoria que forman los materiales cargados al homo debe incrementarse para remover el sulfuro adicionaI Ademas se debe inyectar mas carbon para proporcionar el calor para fundir los materiales de la escoria
Otros constituyentes inorganic os del carbon afectan el desempeno del alto homo Los aIcalis (sodio y potasio) pueden ser muy petjudiciales a el flujo libre del material de carga ya que ellos tienden a formar costras en el homo La quimica de las ceruzas del carbon influencia la quimica de la escoria El efecto sobre la quimica de la escoria se incrementara a mas altas tasas de inyeccion de carbon
La relacion de reemplazamiento de un carbon es la medida de la cantidad de carbon inyectado en relacion con la cantidad de coque removido Una relacion de reemplazamiento de coque de uno significaria que una unidad de peso de carbon podria reemplazar una unidad de peso de coque El carbon generalmente tiene una relacion de reemplazamiento menor de uno ya que este contiene menos carbono que el coque
La relacion de reemplazamiento para un carbon puede determinarse de tres maneras
1 Graficar la tasa de inyeccion de carbon pulverizado versus la tasa de coque se puede generar de datos de operacion y un anaIisis de regresion llevado a cabo para determinar la pendiente la cual es la relacion de reemplazamiento El problema con este tipo de anftlisis es que la operacion del homo cambia con la tasa de inyecci6n La operacion de un homo sin inyeccion de carbon no es 10 mismo como con esta Esas diferencias en operaci6n no se tienen en cuenta y por 10 tanto se sobre estima la relacion de reemplazamiento de un carbon
2 El uso de un balance de masa y energia para cada homo Este metodo de determinacion usualmente es muy exacto dentro del range de carbones que ya se han utilizado Bajo este range de carbones los datos son mas precisos Algunas
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3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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3 Normalmente genera valores muy similares al caso anterior El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion
La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 092 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 082 se requerini inyectar 12 mas de carbon para operar a la misma tasa de co que manteniendo los otros parametros constantes Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo
El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible Aceite alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon Asi se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada Esos cambios tienen un imp acto positive sobre la operacion del alto homo
La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico el cual simula los conductos Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion Este predice que el 80 de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65 para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 MgMg (360 lbt) y una temperatura de 1200degC (2 192degF)
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