TRADUCCIÓN PERAY LA LLAMA Para un ojo si entrenar, todas las flamas en la zona de quemado de un horno rotatorio parece más o menos igual. Como se muestra en la figura 2:2, hay un corto espacio de aire y combustible emanado de la boquilla del inyector, y al final de este espacio ocurre la ignición de combustible y se forma la llama. Las llamas varían considerablemente en longitud, forma, color, dirección y punto de ignición. Con el tiempo el principiante aprende a reconocer estas características, su efecto en la eficiencia de horno y como controlarlas. Términos como llama corta, larga, lenta, rápida, fría y caliente, son usados para describir diferentes formas y colores de las flamas, toman un significado real y pronto llegan a ser parte del lenguaje común del operador del horno.
Figura 2.2 Las llamas de todos los tipos de combustibles con ciertas características comunes
Al final del quemador el horno esta equipado con un puerto por el cual el operador puede ver la zona de quemado (figura 2:3). A causa de la lucidez del combustible incandescente y el gas, es necesario observar la llama a través de un cristal especial coloreado para proteger los ojos del operador.
Figura 2:3 El operador puede ver el interior del horno a través de un vidrio especial.
Características de la Flama: Bajo condiciones estables de funcionamiento, ningún cambio en el montaje del quemador o en su posición son normalmente hechos a excepción que las condiciones de coraza caliente lo requieran. Por lo tanto las características de llama deberán teóricamente permanecer inalteradas. Esto, de cualquier manera, no es el caso, por que la forma de la llama es influenciada por muchos factores como la velocidad del VTI, temperatura del aire secundario, presión y temperatura del aire primario, al igual que las condiciones de cambios en la zona de quemado. Los factores que influyen sobre esas características pueden ser subdivididas en 2 grupos. El primer grupo son variables sobre las cuales el operador no tiene o tiene poco control. Algunas de estas variables son imposibles de cambiar por que son parte integral del horno como tal. Esas que pueden posiblemente ser ajustadas, requieren ayuda de terceros o un paro de horno. A continuación se listan los factores que estan incluidas en este grupo: -
Diámetro del inyecto de aire primario.
-
Tamaño del orificio del combustible del quemador
-
Diámetro del horno rotatorio
-
Diseño del quemador
-
Poder calorífico del combustible.
En el segundo grupo están las variables sobre las cuales el operador del horno tiene control con el fin de obtener las características deseadas de la flama, estas son: -
Finura del carbón al quemador
-
Temperatura del fuel oil.
-
Temperatura del aire primario.
-
Temperatura del aire secundario
-
Flujo de aire primario
-
Flujo de aire secundario
-
Flujo de combustible
-
Temperatura de las paredes de las zona de quemado
-
Posición del quemador.
-
Grado de pureza (concentración de polvo) del aire de combustión entrando al horno.
-
Aire requerido por el combustible
-
Densidad de la corriente de aire primario
-
Densidad de gases de combustión.
Las variables subrayadas son los factores más importantes que afectan la flama en un horno rotatorio, según Gygi. Un cambio en las características se dará como respuesta a cualquier cambio en las variables de cada grupo. Si del cambio resulta una peligrosa e indeseada llama, una o más de otras variables deberán ser ajustadas para contrarrestar la mala condición de la llama. Las características de la llama varían considerablemente de una planta de cemento a otra, algunas veces hasta de un horno rotatorio a otro diferente en la misma planta. La razón de esto es que la llama debe adaptarse a los diseños de horno existentes y prevalecer en las condiciones de operación. La calidad del clinker, refractario, presencia de anillos y problemas del equipo del horno, obligan al operador a obtener cierta llama, la que mejor se ajuste a las condiciones actuales en el horno rotatorio condiciones.
bajo tales
Como regla general en el control de la llama, se debe obtener el fuego más corto posible y la temperatura de llama más alta posible sin influenciar en la calidad del clinker, formación de costra, formación de anillos y en la vida del refractario, o causando daño en los equipos del área descarga. Además, la llama no debe causar sobrecalentamiento en la corteza del quemador, en la descarga del horno o enfriador. Una vez las características ideales de la llama se hayan obtenido, el operador deberá hacer cada esfuerzo para operar el horno de una forma en la que se cause las mínimas perturbaciones de la llama. La llama no debe ser cambiada durante el curso de operación del horno a menos que las condiciones específicas requieran un cambio. Ahora se considerará en detalle varias características de la flama que se han mencionad al principio de este capitulo, y como pueden ser modificadas. Longitud de la Llama
Figura 2:4 Diferentes llamas, en una forma simplificada y exagerada.
Al considerar la longitud de la llama, se deberá tener claro la diferencia entre 2 aspectos: La longitud de la llama puede referirse a la distancia entre la boquilla del quemador y el final de la flama, o puede expresarse como la distancia entre el punto donde comienza la ignición del combustible y donde el proceso de reacción
de
combustión del combustible termina, esto es la longitud de la parte encendida de la llama. La diferencia entre estos dos conceptos es frecuentemente pasado por alto, pero es importante su entendimiento en la operación del horno. La figura 2:4 muestra claramente la diferencia entre estas dos medidas, Comparando las dos llamas A y B, se ve que la distancia entre la boquilla del quemador y el final de la llama es 44ft, es idéntica para ambas llamas. Si la longitud de la llama se considera solo como la parte encendida, la llama A es 40ft de larga y la B es de 28ft de larga. En este libro, los términos de longitud de llama total y llama encendida son usados para distinguir estas dos medidas.
La variable que tiene la mayor influencia en la longitud del la llama es el porcentaje de aire presente en la zona de quemado. Esto se debe a que el combustible debe combinarse con oxigeno para empezar la reacción química de combustión. En otras palabras, el aire, el cual contiene oxigeno y el combustible, tienen que entrar en contacto para que el combustible se queme. Una falta de aire puede causar que la flama se vuelva muy larga, ya que el combustible tiene que buscar oxigeno más allá de la parte de atrás del horno. La masa total de aire de combustión entrando al horno es gobernado principalmente por la velocidad del ventilador de tiro. Si la velocidad del ventilador de tiro se incrementa con flujo de combustible constante, más aire de combustión entra al horno. Inversamente, una disminución en la velocidad de tiro resultará en una disminución de aire de combustión entrando al horno. El operador tiene a su disposición una rápida indicación con el analizador de gases (oxigeno) de salida para determinar si la llama teóricamente se esta alargando o acortando. La falta de aire de combustión en el horno se reconoce cuando el analizador de oxigeno lee valores cercanos a cero e indica presencia de CO en los gases de salida del horno. Para explicar este efecto sobre la longitud de la llama se consideran muchos ejemplos: Caso 1: Lectura de oxigeno es 2%, velocidad del VTI se incrementa a tal punto que oxigeno alcanza valores de 4%. Resultado: La longitud de la flama se incrementa. Caso 2: Lectura de oxigeno es 2%, velocidad del VTI se baja a tal punto que oxigeno alcanza valores de 0.7%. Resultado: La longitud de la flama disminuye. Caso 3: Lectura de oxigeno es 0.7%, velocidad del VTI se baja a tal punto que el oxigeno alcanza valores de 0.1% y una pequeña cantidad de CO aparece. Resultado: La longitud de la flama se incrementa. Caso 4: Lectura de oxigeno es 0.1% y se ve combustible, velocidad del VTI se incrementa a tal punto que alcanza valores de 0.7% y no hay indicación de combustibles. Resultado: La longitud de la flama disminuye. De los ejemplos anteriores, se hace claro que no es posible declarar simplemente que un aumento del flujo de aire causará un alargamiento de la llama o la disminución acortará la llama, pero sí, que los cambios resultantes son dependientes del porcentaje
de oxígeno presente antes de hacer cambios en los caudales de aire o velocidad del VTI. La longitud total de la llama puede llegar a ser infinitamente larga bajo condiciones de una falta extrema de aire. En realidad el combustible podría viajar la longitud entera del horno sin encenderse porque la ausencia de aire en toda su trayectoria. Para entrar en el colector de polvo en el horno donde mucho aire está disponible, el combustible podría explotar si la temperatura es bastante alta como para encender el combustible. Se puede fácilmente visualizar los resultados de tal desastrosa situación. La longitud de la llama es también depende mucho del diseño del quemador, espacialmente del diámetro de la boquilla del quemador. W. Ruhland en su investigación de llamas, encontró que una disminución en el diámetro de la boquilla dará en primera instancia un acortamiento de la llama, pero mayores disminuciones en el diámetro ocasionan llamas más largas. Él también encontró que ningún cambio en la longitud de la llama tomará lugar cuando la relación entre el aire de combustión total y combustible introducido mantiene constante. De esto se puede concluir que la longitud de la llama mantiene sin cambiar cuando el porcentaje de oxigeno en los gases de salida permanece constante, en otras palabras, cada vez que el flujo de combustible se cambia, el flujo de aire fluyendo al horno debe también ser modificado con el fin de mantener la misma longitud de la llama. Considerando que la longitud de la llama puede ser cambiada por modificaciones en la velocidad del VTI y conociendo que la longitud de la llama se debe mantener constante, se puede concluir que la velocidad del VTI debe cambiarse proporcionalmente a cualquier cambio en el flujo de combustible. Se debe todo el tiempo correlacionar la diferentes funciones de control de la operación del horno y tomar medidas que serán las de mayor beneficio para la estabilidad de la operación del horno, por ejemplo, mantener el contenido de oxigeno constante y variar la velocidad del horno es una técnica de quemado no recomendada para una operación estable y prolongada del horno. El operador debe darle una atención especial a la temperatura de la zona de quemado y a la temperatura de la parte de atrás del horno, al igual que al contenido de oxigeno en
los gases de salida del horno en un valor mayor o igual a 0.7% y no más de 3.5%. Este control de la cantidad de oxigeno viene como resultado de cambios en la longitud total de la llama. La experiencia ha mostrado que cambios en la longitud de la llama son de menor magnitud cuando el nivel de oxigeno es controlado dentro de este rango y muchos más beneficios pueden derivarse en una operación estable que cuando el oxigeno es estrictamente controlado a un nivel constante. Forma de la Llama: Lo que se busca es operar el horno rotatorio con la longitud de llama más corta posible. Una llama corta extiende la longitud de la zona de calcinación, la cual frecuentemente conlleva a incrementar la capacidad de producción del horno. Ahora considere las llamas A y C de la figura 2:4. Aunque la misma cantidad de combustible es quemada en ambas llamas, las dos son totalmente diferentes. La llama A representa lo que el operador llama un fuego “lento” por que el calor de esta llama es liberado relativamente sobre una larga distancia de la zona de quemado. La llama C es una llama de fuego “rápido” en la cual el calor es liberado sobre una longitud más corta de la zona de quemado. Ambos tipos de llamas se pueden encontrar en los hornos rotatorios, pero la llama C es más favorable por facilidad de control del horno, calidad del clinker y eficiencia del combustible. Llamas como la llama A, usualmente tienen una tendencia de flotar sobre la atmósfera del horno de una manera inestable, mientras que llamas como la llama C, tienen mejor cuerpo, tienden a permanecer mejor en una posición cuando se hacer pequeños cambios de flujo de aire y temperatura. La llama C, con muy pocas excepciones, tiene una forma más favorable para el horno rotatorio. El combustible de quemado (llama) se expande de una forma igual y uniforme en todas las direcciones a lo largo del eje del horno, y no es ni muy corta ni muy larga en longitud total. La estabilidad de la llama debe mantenerse y las características de la llama estables (cuando la llama es formada favorablemente) para asegurar una larga vida del refractario y buenas condiciones de control del horno.
Dirección de la llama:
Una de las cosas más importantes para el operador de horno es recordar que la trayectoria de la llama no es una línea recta y no mantiene constante todo el tiempo. Por consiguiente, cuando el ducto de aire primario es configurado para transportar la mezcla de combustible y aire primario hacia cierto punto en la zona de quemado, no se garantiza que la llama por sí sola seguirá esta trayectoria particular durante su longitud total. La llama tiene una tendencia de levantarse hacia el arco superior del honro, debido a su flotabilidad resultante de la entrada irregular de aire secundario al horno. Esta corriente de aire secundario caliente entra al horno desde abajo, y mueve hacia arriba (desde unos pies por delante de la boquilla del quemador) la llama en una trayectoria curva, donde comienza a mezclarse con la corriente de aire primario y el combustible. Este efecto de flotabilidad causado por la corriente de aire secundario puede observarse mejor cuando se da lugar a un gran cambio de temperatura del aire secundario. Durante el periodo inicial del comienzo del horno, que es, cuando la temperatura del aire secundario es muy baja, la llama tiene la tendencia de levantarse hacia la parte superior del horno. Luego de un poco de tiempo, la temperatura se incrementa, y la llama comienza a moverse hacia el centro del eje del horno. Otro factor que influye en la dirección de la llama es la geometría del inyector del quemador. Debido a las altas temperaturas que prevalecen bajo las condiciones de operación normal en el área de quemado, este inyector de aire primario es especialmente vulnerable a deformarse o distorsionarse, resultando un desarrollo irregular de aire primario alrededor del combustible jet, causando una forma y dirección de la llama sin consistencia, regularidad y uniformidad.
Ajuste de la Dirección de la Llama: En algunos hornos rotatorios, el ducto de aire primario es fijado un poco más abajo del centro del horno, para compensar la flotabilidad de la llama. La mayoría de hornos, de cualquier manera tienen facilidades para ajustar la posición de los ductos y quemadores de aire primario, por consiguiente el operador puede cambiar la dirección de la llama y en grado limitado, cambiar la forma de la llama. Cada ajuste en el ducto de aire primario o posición del quemador traerá consigo un cambio en las características de la llama y
por lo tanto afectar condiciones de quemado en la zona de calcinación. La flotabilidad de la llama puede usualmente ser contrarestado por una inclinación suave hacia abajo del quemador, para que el cuerpo principal de la llama sea centrada una mayor distancia dentro de la zona de quemado. En la figura 2:4, la llama E muestra una llama flotante con el quemador centrado en el eje del horno. Bajando un poco el quemador, la llama toma la posición mostrada en la llama F. Debido a que muchos factores influyen en la dirección de la llama, es necesario ajustar la posición del quemador teniendo en cuanta la condición encontrada actual de cada uno de los hornos. Para esto, el operador observará la llama en el horno, prestando una atención particular al cuerpo de la llama en el punto “x” en la figura 2:4. La figura 2:5 esta cruzando la sección donde se encuentra “x” del horno.
Figura 2:5 Targets imaginarios en el horno que indican las áreas correctas e incorrectas hacia las cuales la llama debe dirigirse.
El punto central de la llama en esta posición (Sección transversal en “x”) puede ser cualquiera de los cuadrados indicados en la figura 2:5, dependiendo en que tan bien la dirección de la llama es ajustada. Generalmente se asume que el mejor intercambio de calor entre la llama y la alimentación se da cuando la llama esta apuntando un poco hacia la cama de material,
por esto la mejor posición de la llama es cuando el centro esta en 2A o en el eje del horno (2B). En la otra mano, si la dirección de la llama esta muy cerca de la cama del material (3A), hay un peligro que parte del combustible sin quemar (especialmente en fuegos con carbón o aceite) puede entrar en el material, condición que es altamente indeseada. Una llama muy inclinada hacia las paredes (1C, 2C o 1B) puede atacar la costra, acción que puede acortar la vida del refractario. Aunque no se puedan dar estándares sobre la dirección de la llama para todos los hornos, porque cada horno tiene esta posición específicamente adaptada a sus problemas particulares, diseño o condición, existen de cualquier manera, una pocas reglas que pueden aplicarse a todas las llamas, indiferente del horno rotatorio que este en consideración. Estas son: a) Cuando el inyector o boquilla del quemador se ha deformado accidentalmente, se da una llama inconsistente, irregular y no uniforme, acciones inmediatas deben hacerse para reparar esta condición. b) Una llama nunca debe estar muy cerca de la costra o al refractario durante un tiempo prolongado. c) Una llama nunca debe pegar muy duro la cama de material. d) Quemadores de aceite o de gas deben centrarse bien para un cubrimiento uniforme de aire del combustible jet. e) La dirección de la llama debe ajustarse solo cuando el horno esta en condición de operación estable y la temperatura, presión de combustibles y flujos de aire están a un nivel normal. Condiciones de operación inusuales pueden causar un cambio en la dirección de la llama. Si en tales condiciones se quisiera ajustar la dirección de llama, lo más probablemente sería que se obtuviera una llama indeseable una vez las condiciones y velocidad del horno sean normales otra vez. f)
Es mejor hacer ajustes deseados en la dirección de la llama en muchos pasos pequeños en lugar de uno grande para que la estabilidad en la operación del horno no sea afectada.
g) Una vez se haya obtenido la dirección ideal de la llama, la posición del quemador no debe ser cambiado a menos que sea por una razón definida como combatir la formación de un anillo a condiciones de coraza caliente. h) Para proteger el ducto de aire primario de un posible daño durante un paro de horno, una cierta cantidad de flujo de aire primario debe mantenerse hasta que
la temperatura dentro del horno esta lo suficientemente baja (aproximadamente 600°F o 315°C). En una falla de energía cuando el ventilador de aire para, el quemador debe ser inmediatamente removido del horno. Temperatura de la llama: TEMPERATURA CORRESPONDIENTES POR SU COLOR OBSERVADO COLOR Rojo más claro visible Rojo más claro a Rojo oscuro Rojo oscuro a Rojo cereza Rojo cereza a Rojo brillante cereza Rojo brillante cereza a naranja Naranja a amarillo Amarillo a Amarillo claro Amarillo claro a Blanca Blanca a blanca deslumbrante
T° (°F) 875 875-1200 1200-1375 1375-1500 1500-1650 1650-2000 2000-2400 2400-2800 más de 2800
T(°C) 475 475-650 650-750 750-825 825-900 900-1090 1090-1320 1320-1540 más de 1540
Tabla 2:3 Temperaturas y su color
La cantidad de calor liberado por la llama depende de la temperatura de la llama, y la temperatura de la llama se indica por el color de ésta (Tabla 2:3). Observando el color, el operador puede estimar la temperatura de la llama dentro de ciertos amplios límites. De cualquier forma, antes de discutir el color de la llama, es necesario resaltar que un incremento en el flujo de combustible no siempre incrementa el calor liberado de la llama, y no siempre la reducción en el flujo de combustible disminuye el calor liberado de la llama. La razón de esto es que la combustión del combustible es también dependiente de las cantidades de aire (oxigeno) disponible y de las temperaturas de los gases y de las paredes del horno en la zona de calcinación. La liberación de calor por el combustible, puede ser confusa para un nuevo operador de horno, porque depende de esos factores. El mejor ejemplo para mencionar, por su simplicidad y frecuencia en ocurrencia, es la condición en la cual el horno esta operando con un muy bajo contenido de oxigeno en los gases de salida (0.5%). El operador nota que la temperatura de la zona de calcinación empieza a disminuir. El mal procedimiento hecho en muchas instancias es el de incrementar el flujo de combustible, esperando que esto ayude a elevar la temperatura. Lo contrario es lo que comúnmente ocurre, es decir una mayor disminución en la temperatura de la llama, debido a un déficit de aire disponible para la combustión. El procedimiento correcto en esa situación sería reducir la velocidad del
horno para permitir un mayor tiempo de residencia para quemar el clinker correctamente o reducir la cantidad de combustible para mejorar la combustión de éste. Una tercera posibilidad es incrementar el flujo de aire primario para compensar la falta de aire necesario para la combustión, y a su vez incrementar el flujo de combustible. Una reacción igual o similar debe hacerse cuando la temperatura de aire secundario cae significativamente, o cuando mucho aire (alto % de aire en exceso) es introducido en el horno por una velocidad excesiva del VTI. Ambas reacciones pueden resultar de una disminución en la temperatura de la llama. Bajo cualquier condición de operación, independientemente del flujo de combustible, se busca obtener la temperatura de la llama más alta posible. En otras palabras, los mejores fuegos en un horno rotatorio son lo que tiene un color muy brillante. Llamas naranjas y rojizas son indeseadas por que poseen una baja temperatura de llama. Los valores mostrados en la tabla 2:3 no son solo útiles para las temperaturas de la flama, sino que también pueden ser de servicio para el operador para cualquier clase de observación en el sistema del horno donde las temperaturas elevados prevalecen, tales como la temperaturas de la pared de la zona de calcinación, cama de material y virola del horno. Los siguientes factores que sirven para elevar la temperatura de la llama, son de mucho interés para el operador del horno: a) Incrementar la temperatura del aire secundario. b) Usar menos aire primario, para utilizar más aire secundario, el cual esta precalentado a una temperatura más alta. c) Promover una mezcla rápida de aire y combustible, mejorando el diseño del quemador. d) Mejor atomización del aceite incrementando la temperatura del fuel oil
y
seleccionando un quemador con un tamaño de orificio más pequeño o empleando un aparato mecánico en el inyecto para hacer una mejor atomización. e) Operar
el horno sin déficit o exceso de aire manteniendo el contenido de
oxigeno en no menos de 0.7% y no mas de 3.5%.
Es posible calcular la temperatura teórica máxima posible obtenible por cierto combustible, cuando los factores tales como el poder calorífico del combustible, calor específico promedio de gases de combustión y temperatura de los gases entrando al horno son conocidos. Los valores obtenidos en estos calculo so usualmente de la magnitud de 2040 a 2650°C. La tabla 2:3 indica que a esas temperaturas la llama de deberá tener un color blanco deslumbrante. Comparando esto con el color que usualmente es observado en un horno rotatorio, se vuelve obvio que la temperatura de llama actual cae un poco de esa máxima temperatura posible. Llamas de color amarillo claro a amarillo (1320 a 1540°C) y amarillas a amarillo claro (1090 a 1320°C) son comunes en los hornos rotatorios. El color de la llama discutida aquí es el color actual de la llama y no el color que un operador ve a través de un filtro de vidrio. Los operadores frecuentemente hablan de llamas calientes y frías. Estos términos, aunque son contradictorios por que no hay una llama “fría”, son completamente aceptados por que su estado en términos inequívocos dan las características de la llama. Lo que significan estas expresiones son altas y bajas temperaturas de llama. Enriquecimiento de oxigeno: La industria del acero ha hecho grandes mejoramientos respecto a las temperatura de llama en hornos de chimenea abierta por enriquecimiento de oxigeno del aire de combustión, resultando temperaturas de llama mas altas, las cuales mejoran la eficiencia de este tipo de horno.
El enriquecimiento de oxígeno de gases de
combustión en un horno de cemento rotatorio ha sido intentado en un gran número de plantas de cemento, pero debido al alto costo el proceso ha sido abandonado. La utilización del enriquecimiento de oxígeno podría crear un resultado indeseable debido al fuego extremadamente intenso, caliente y corto que es característico de este tipo de llama. Altas temperaturas extremas podrían ser localizadas cerca del área de descarga del horno que podrían causar daño al refractario, así como a la caperuza del horno y el enfriador. TRANSFERENCIA DE CALOR: El calor puede transferirse de un cuerpo a otro por radiación, la cual es la transferencia de calor de un cuerpo a otro por medio de ondas de calor sin que los dos cuerpo estén en contacto; o por conducción, cuando el calor se transfiere de un
cuerpo a otro estando en contacto; por convección, en donde el calor es transferido de una parte de un fluido (gas) a otra parte por medio de una mezcla de partículas del fluido a diferentes temperaturas. En un horno rotatorio, el calor se transfiere al material alimentado por radiación de la llama, conducción de la llama, radiación de las paredes del horno, conducción de las paredes, radiación de los gases calientes y conducción de los intercambiadores de calor. La mayor cantidad de calor transferido se hace por radiación. Y la menor cantidad es por convección. Transferencia de calor en el horno: Las características de transferencia de calor en varias zonas son diferentes en cada aspecto. En la zona de quemado la transferencia de calor pasa principalmente por radiación de la pared y la llama y por conducción por el contacto del material con la pared caliente. En la zona de calcinación el calor es transferido al material principalmente por radiación de los gases calientes y por conducción de la pared. Perfil de calor: Las temperaturas difieren a lo largo del horno y un factor muy importante es la diferencia de temperatura entre el material y los gases a cualquier punto dado en el horno. Una grafica registradora de temperatura de gases muestra que la temperatura de gas solo y la temperatura del material en ese mismo lugar no son nunca iguales. Además, las condiciones del horno pueden cambiar mostrando un cambio considerable en las temperaturas del gas pero mostrando constantes las temperaturas del material, mucho minutos después del cambio.
Figura 2:6 Perfil de calor para un horno de vía húmeda.
En la figura 2:6, se muestra el perfil de calor para un proceso por vía húmeda e ilustra la diferencia de temperaturas que existen entre los gases del horno y la alimentación.
Durante la calcinación, la temperatura del material se eleva suavemente, seguido de un incremento rápido en cuanto el CO2 se haya producido y la formación fase líquida comienza cuando el material entra en la zona de quemado, luego la temperatura se cae rápidamente cuando se encuentra dentro de la zona fría. Calentando la alimentación: La radiación de calor de los gases calientes al material ocurre solo en la superficie de la cama de material que esta expuesta al gas. Por lo tanto, la menor temperatura de la cama es en el centro y la mayor en la superficie (“cara caliente”). En la zona de quemado, el material, estando ahora en una condición algo pegajosa, está en un estado de constante agitación, ayudado por la costra áspera y desigual del horno, se eleva hacia arriba por que se pega a lo largo del lado del horno y luego vuelve a caer, haciendo constantemente ese movimiento. Debido a esta acción, la capa superficial está siendo constantemente trasladada atrás del material, donde por conducción, las partículas calientes transfieren el calor a las partículas más frías. Mientras tanto nuevas partículas son expuestas a la radiación de los gases calientes y el proceso se repite continuamente. En la zona de calcinación y hacia la parte de atrás del horno donde el recubrimiento del horno es mucho más liso y el material se encuentra en un estado mas o menos sólido, la cama de material es muy poco volcada, por esto desliza en un zig zag hacia abajo del horno. La cama de material primero es levantada por que se adhiere a la pared de horno, luego cuando alcanza una cierta altura se desliza hacia abajo y adelante sin volcar el material. Sin embargo, el volcamiento del material es mayor en hornos con bolas (“pelletized”), como hornos de vía húmeda o semihumeda. Los intercambiadores de calor, en la forma de cadenas, cámaras cilíndricas de acero o de sección cruzada, son empleados en hornos de proceso de vía húmeda y están siendo ahora usados en proceso por vía seca también. Cuando están expuestos a los gases calientes, ellos rápidamente llegan a una alta temperatura y una vez tengan contacto con la cama de material, la transferencia de calor al material se hace por conducción. Una acción similar ocurre cuando se da la transferencia de calor desde la pared del horno hacia el material. La llama irradia calor a la costra adherida al horno. Parte del calor se irradia al material y parte es transferido al material por conducción cuando
la pared toca el material. La figura 2:7 muestra que la temperatura de la pared del horno es la más baja cuando emerge del material y es la más alta inmediatamente antes que entre en contacto con la cama de material. Entre menos velocidad tenga el horno y entre menor carga de material del horno, mayor será la diferencia de temperaturas entre estos dos puntos.
Figura 2:7 Temperatura de las paredes de la zona de clinkerización, alcanzando el punto mínimo justo antes de entrar en contacto con la cama de material.
Existe una relación importante entre efecto de la pared ya descrito y la velocidad rotacional del horno, el intercambio de calor es más favorable a mayor velocidad del horno que a baja velocidad porque más pequeña es la diferencia entre la pared del horno y la cama de material. Esos detalles deben ser considerados por el operador del horno para decidir si la velocidad puede incrementarse en cualquier momento. FORMACIÓN DE LA COSTRA EN LA ZONA DE QUEMADO Una buena costra protectora sobre el refractario en la zona de quemado sirve para prolongar la vida del refractario. El reemplazo del refractario es muy costoso, no solo por el alto costo del refractario, sino también por la pérdida de producción mientras el horno esta parado para el cambio de recubrimiento. Es innecesario decir, que una renovación frecuente del refractario es una condición indeseada en cualquier horno. Aunque los refractarios de la zona de quemado tiene que reemplazarse, el operador del horno sin embargo tiene la capacidad de incrementar y desafortunadamente de
disminuir la vida del refractario con su habilidad de controlar la costra en la zona de quemado. La Naturaleza de la Costra:
Figura 3:3 calor pasando a través de la virola del horno, debe ser constante para mantener la condición de equilibrio necesaria para la formación de costra.
La costra es una masa de clinker o de partículas de polvo que se adhieren a la pared del horno, cambiando de un estado líquido o semilíquido a sólido. Las partículas solidificadas se adhieren a la superficie de la costra (CS en la figura 3:3) o a la superficie del refractario (BS) cuando no hay costra, tan pronto la temperatura de la superficie de la costra este por debajo de la temperatura de solidificación de la partículas. Cuando el horno opera bajo condiciones de equilibrio, la costra se mantendrá. Esto significa que teóricamente no se formará nueva costra. Cuando esta temperatura se excede, las partículas sobre la superficie de la costra cambian de nuevo de estado sólido a estado líquido y la costra comienza a caerse. Hay una caída de temperatura entre la superficie de la costra (CS) y la virola del horno, el calor fluye en la dirección indicada por la flecha de la figura 3:3. (El calor siempre viaja del lugar o cuerpo de mayor temperatura al lugar o cuerpo de menor temperatura). Esta transferencia de calor es gobernada por una gran extensión de conductividad del refractario y la costra. Entre mejor sea la conductividad del refractario, hay mayor posibilidad de formación de costra, explicado por el hecho que entre más calor viaje en dirección de la flecha, menor será la temperatura en la superficie de la costra. Porque la costra consiste de partículas que han cambiado de un estado liquido a sólido, la cantidad de material alimentado al horno que se funda
a la temperatura de clinkerización juega un papel muy importante en la formación de la costra. Un material con alto contenido líquido a temperaturas de clinkerización es mas efectivo en la formación de costra que un crudo con bajo contenido liquido; crudos con alto contenido de fase liquida (mezcla de fácil quemado), tienen un alto contenido de fundentes (hierro, aluminio, magnesio
y álcalis). Por otro lado,
mezclas difíciles de quemar (bajo hierro, aluminio, magnesio y álcalis, y alto contenido de cal y sílice) no tienen una influencia favorable para la formación de la costra. Álcalis arrastrados en la corriente de gases promueven la formación de costra, desafortunadamente de anillos también, debido a sus características fundentes. Debido a que la temperatura de la superficie es el factor más importante en la formación de la costra, es obvio que la llama tiene un efecto significante en la formación de la costra porque la forma de la llama gobierna directamente la temperatura de la superficie en un punto dado en la zona de quemado. Una llama que es muy corta, rápida y ancha, puede destruir la costra por su intenso calor liberado sobre una corta área con este tipo de llama. Una llama larga es más favorable para la formación de la costra en la zona de quemado. Las llamas cortas son deseables para un mejor control de la operación de quemado del horno, pero la llama no debe ser tan corta que afecte la costra de la zona. Una vez todos los factores se hayan tenido en cuenta y la fundición para una buena costra protectora se ha establecido, el operador debe controlar la costra durante la operación del horno. Es su responsabilidad formar y mantener una buena costra sólida en la zona de quemado. Condiciones de Operación:
Figura 3:4 Diferentes condiciones del horno
Las condiciones de operación son tan importantes en la formación de la costra como todos los factores ya mencionados. Asuma que el horno será operado de un extremo de temperatura a otro; esto es, horno frío, normal y altamente sobrecalentado; en donde el crudo alimentado tendrá igual composición en los tres ejemplos, la temperatura de solidificación es 1315°C y el 24% de liquido se forma a este punto de investigación, bajo una condición de operación ideal. Primero, considerar el horno frío (figura 3:4A). En este caso casi no se forma costra. La temperatura de la superficie de la costra, al igual que la temperatura del material son muy bajas para producir la cantidad de liquido necesario que promoverá la formación de la costra. Este ejemplo aporta al hecho que no se formará nueva costra mientras el horno este frío. En el horno normal (figura 3:4B), el liquido suficiente (24%) esta presente para formar una costra. La temperatura de la costra cuando emerge de la cama de material al igual que cuando esta en contacto con el material, están por debajo de la temperatura de solidificación de la partículas del material. Las partículas se pegarán a las paredes y se solidificarán, y esto seguirá siempre y cuando la temperatura de la superficie de la costra se mantenga por debajo de la temperatura de solidificación (1315°C). Tan pronto la pared alcance esta temperatura no se formará costra nueva y la costra estará en equilibrio. En el horno caliente (figura 3:4C), por la extremadamente alta temperatura del material y la costra, se formará mucho liquido. Cuando todas las temperaturas están por encima de la temperatura de solidificación, la costra se transforma de sólido a líquido otra vez. En tales condiciones, la costra se caerá, y el material por su alto contenido de líquido formara bolas. Aunque no es necesario decirlo, esta condición es extremadamente dañina para el horno y el refractario. En resumen, lo factores que gobiernan la formación o perdida de costra son: a) Composición química de la alimentación del horno. b) Conductividad térmica del refractario y de la costra. c) Temperatura del material cuando entra en contacto con la costra. d) Temperatura del la superficie de la costra cuando entra en contacto con el material. e) Forma y temperatura de la llama.
MOVIMIENTO DE LOS MATERIALES EN EL HORNO
Figura 4:1 Diagrama esquemático de rutas de aire en el sistema del horno
El movimiento de aire a través del horno puede ser considerado, para todos los propósitos prácticos, para dar uniformidad al aire desde su introducción en el enfriador hasta la descarga final. De acuerdo con la ley de los gases, el estado físico de aire experimenta cambios en temperatura, volumen y presión mientras atraviesan el horno. Las razones para esos cambios es que la composición química de aire cambie en el proceso y que los espacio por lo cuales el aire viaja a lo largo del horno no sean uniformes en todo el sistema. La figura 4:1 es un diagrama esquemático del circuito en un horno rotatorio típico. Por conveniencia, es acostumbrado dividir este flujo de aire entre tres rutas sucesivas, en el siguiente orden: a) El circuito para enfriar el clinker e introducir el aire de combustión dentro del horno. Este es la ruta de enfriamiento. b) La ruta en la cual la combustión, calcinación y secado se lleva a cabo. Esta es la ruta del horno. c) Circuito el cual el aire y gases son liberados del horno y pasan a través de unidades de recuperación de calor y de colección de polvo. Esta es la ruta de descarga. Considerando la ruta del aire en el horno, es necesario mirar todas las 3 divisiones como una porque una conlleva a la otra. El concepto de flujo de aire es uno, cualquier ajuste o cambio en una de las rutas resultara en un cambio en todo el circuito. Otro factor importante es que es casi imposible evitar la entrada de aire falso al horno. Este aire entra por cualquier agujero y alrededor del final de los ductos. Esto no solo baja la eficiencia del VTI de horno, sino que también reduce la eficiencia del combustible. Cambios drásticos en el flujo de aire pasan cuando las puertas en cualquier lugar del sistema se dejan abiertas por un tiempo prolongado. Por lo tanto puede variar las condiciones del horno notablemente, se debe avisar al operador con anticipación cuando se va a realizar una acción como estas.
Ruta de aire de enfriamiento:
1. Horno
7. Exceso de aire
2. Aire secundario
8. Colector de polvo
3. Aire circulatorio
9. Quemador
4. Ventilador de aire caliente
10. Aire primario
5. Ventilador de aire frío
11. Triturador de clinker
6. Ventilador de aire primario
12. Parrillas Figura 4:2 Enfriador
El enfriador tiene dos objetivos simultáneos: enfriar el clinker caliente descargado del horno y suplir el aire necesario para la combustión en el quemador. En la figura 4:2 se muestra esquemáticamente el viaje de aire en el enfriador más común. El aire atmosférico, introducido a las secciones más bajas del enfriador por medio de un ventilador, pasa a través de la cama de clinker donde su temperatura es elevada a aproximadamente 205°C. El polvo, recogido del aire que pasa por el clinker, es extraído y el aire purificado es luego usado una parte como aire primario y otra para el ventilador de aire caliente, y el exceso, es liberado a la atmósfera por medio de la chimenea del enfriador. La mayor cantidad de aire es introducida por el ventilador de aire caliente, pasando a través de la parillas donde es calentado a 925°C y entra al horno como aire secundario. Cada sistema de enfriamiento debe tener un balance de aire para asegurar un enfriamiento apropiado del clinker al igual que una combustión apropiada en el horno. Cualquier exceso de aire del enfriador que no se necesite para la combustión es liberado a la atmósfera. Un enfriado que es muy pequeño es ineficiente, requiere mas aire para el enfriamiento del clinker que un enfriador del tamaño adecuado, por lo tanto,
tiene la gran desventaja de usar un gran porcentaje de aire y una perdida significativa de calor. Una operación eficiente del enfriador requiere que la mínima cantidad de aire con la temperatura más baja posible sea liberado por la chimenea, al mismo tiempo enfría el clinker a la temperatura que asegura un transporte sin problemas a la temperatura adecuada para su almacenaje. Las compuertas deben ajustarse para que los equipos del enfriador no se sobrecalienten y el aire primario y secundario sean mezclados en proporciones apropiadas cuando entran al horno. La temperatura de aire secundario entrando al horno debe ser la más alta posible para recuperar la máxima cantidad de calor del clinker, a condición de no permitir el sobrecalentamiento del enfriador y la nariz del horno. Ruta de aire del horno: El operador del horno debe siempre tratar de estabilizar el flujo de aire a través del horno. A menos que el arrastre del horno sea controlado en límites razonables, nunca podrá obtenerse un fuego uniforme y unas condiciones de quemado estables. Cierta cantidad definida de aire es requerida para completar la combustión en el horno, lo que significa que debe ejercerse un control sobre la relación de combustible/aire. Una combustión incompleta, causada por el suministro de muy poco aire, termina en perdidas de algo de carbón sin quemar porque la proporción del carbón en el quemador es quemado a CO en lugar de CO 2. Para asegurar que esto no ocurre, una pequeña cantidad de aire en exceso (aproximadamente 5%) es introducido dentro del horno. Por otro lado, una gran cantidad de aire en exceso puede causar seria pérdidas de calor, porque este aire, que no se necesita para combustión, eleva la temperatura de los gases que dejan el horno en la parte de atrás. Este aumento de temperatura afecta el perfil de calor en el horno, por el cambio ocasionado en el secado, calcinación y condiciones de la zona de quemado. Una vez la operación del horno se haya estabilizado, se deben observar en ese orden las siguientes 3 reglas básicas para que el horno mantenga en tales condiciones: a) Deben prevalecer todo el tiempo, condiciones para una combustión completa mientras el horno este en operación, por lo tanto cambios en la relación de combustible y aire pueden hacerse solo para no permitir la formación de CO. b) La máxima cantidad de aire en exceso presente en el horno no debe exceder la cantidad de aire que causará perdidas de calor.
c) Temperaturas del aire entrando al horno y dejando el horno deben ser lo más constantes posibles para no alterar el perfil de calor del horno. Ruta de aire de descarga: Los gases, antes de salir del horno, son enriquecidos con dióxido de carbón de la descarbonatación del carbonato de calcio, con agua de su proceso de combustión y de la evaporación de la mezcla húmeda, y sin polvo del sistema. En el estado seco estos gases contienen 75% volumen de nitrógeno, 23% dióxido de carbón y 1% de oxigeno. La cantidad de oxigeno en los gases esta gobernado por la velocidad o abertura del damper del VTI, y por la cantidad de combustible quemado. Debido a la importancia de la cantidad de oxigeno en los gases del horno, un analizador de gases es instalado en la parte trasera del horno. El analizador de oxigeno, es uno de los instrumentos de control más importantes para el horno, le indica al operador las condiciones de combustión del horno. El tiro en la entrada y salida del horno, indican el perfil de presión dentro del horno. Este perfil es muy influenciado por factores como cambios de temperatura, formación de costro y anillo, y alimentación, al igual que cambios en la posición del damper, por lo tanto no pueden usarse como controles directos del horno. Incremento de velocidades del gas (mas tiro en la parte trasera) pueden crear la condición indeseada en la cual mucho polvo es arrastrado con la corriente de gases. Por regulaciones de polución no se permite que polvo enriquecido con gas sea liberado a la atmósfera, por tanto se instalan colectores de polvo en la parte trasera del horno. Estos extraen hasta el 98% de polvo de los gases. Sin entrar a una descripción detallada de varios sistemas de colección de polvo, se puede generalmente decir todo causa una significativa perdida de presión el la corriente de gases, lo cual crea la necesidad de un ventilador de tiro inducido de gran capacidad. A mayor unidades de colección de polvo y entre más corta sea la chimenea, más energía y mayor capacidad del ventilador se requerirán para jalar el material. El operador debe tener en mente que el VTI está diseñado para manejar los gases calientes del horno que salen del horno en condiciones de operación normales. Si el ventilador es usado para mover un igual volumen de gas relativamente frio, se sobrecargara por que el aire frio tiene una mayor densidad (es más pesado) que el gas caliente. Por esta razón, varias velocidades del VTI deben estar programadas para las diferentes temperaturas de los gases de salida.
MOVIMIENTO DEL MATERIAL EN EL HORNO: Avance del material: El material durante su viaje por el horno desde la parte trasera del horno, a través de diferentes zonas y el enfriador, no se mueve a una velocidad uniforme, ni se mueve en una línea recta por el eje del horno como agua fluyendo en un ducto inclinado. En la deshidratación alcanzada antes de la zona de calcinación, la alimentación entra en la sección de cadena en la cual, cadenas, unidas al interior del horno, sirven para agitar la alimentación para facilitar la transferencia de calor. La velocidad a la cual avanza el material a través de la sección es fuertemente influenciada por el patrón cadena y la densidad. La agitación y el volcado del material causan una mezcla de los componentes del material. Al dejar la sección de cadena (precalentador), y todavía en la zona de deshidratación el material se levanta en parte porque se pega a las paredes y luego vuelve a caer, siguiendo el camino normal del eje del horno. A cierto punto la gravedad hace que la masa de material se deslice en dirección vertical y este movimiento es repetitivo. De esta manera el material avanza en zigzag, cada levantamiento y deslizamiento hace avanzar el material unas cuantas pulgadas. En contraste en la sección del precalentador, se mezcla muy poco el material. El material luego entra a la zona de calcinación, y el zigzag disminuye progresivamente a medida que va recorriendo el horno, debido a la evolución del dióxido de carbono, el material se vuelve mas fluidizado y viaja más rápido, fluyendo de una manera algo similar al agua, pero continua volcándose. Una disminución en el desplazamiento curre en la zona de quemado. El material es ahora transformado en un estado semilíquido, se vuelve pegajoso, y se empieza a formar el clinker y experimenta una acción en cascada similar a la que pasa en la zona de deshidratación. Naturalmente, ocurren irregularidades en ese movimiento. Algunas veces, cuando se ve la zona de quemado desde un punto de observación, se observa olas de polvo fluyendo con alta velocidad dentro de la zona de quemado. Estas olas, se mueven mucho más rápido que el material, originan en la zona de calcinación algunas irregularidades en la operación del horno las cuales causan que la cama de material se vuelva fluidizada. Estas son mucho más frecuentes en hornos de diámetros pequeños con mayor inclinación que en hornos de diámetro grande con más pequeña inclinación. A veces La condición opuesta ocurre, en la cual el materia es retenido por un periodo de tiempo prolongado en cierta área del horno, causada por la presencia de un anillo en la parte de atrás de la zona de quemado o menos frecuentemente en el precalentador.
Cuando cualquier anillo se suelta, el operador de horno se confronta a una situación en la cual fragmentos del anillo roto y todo el material retenido entra a la zona de quemado. En ambos casos esas reacciones causan una cama irregular, profunda y unas condiciones difíciles de operar las cuales pueden causar la alteración del horno. Tales alteraciones pueden ocurrir en diferentes magnitudes. Usualmente solo pequeños ajustes son necesarios para la operación del horno para asegurar una operación uniforme del horno. En otras ocasiones las condiciones son más graves que requieren medidas más drásticas, hasta tener que apagar de emergencia el horno protegiendo los equipos. Por esto, no es necesario explicar los pasos para contrarrestar cambios en el movimiento del material. Solo la experiencia y el conocimiento de cada horno individual permitirán que el operador sepa qué clase de acción correctiva debe llevarse a cabo para una condición dada. Se debe enfatizar, de cualquier forma, que es extremadamente importante considerar los efectos que pueden ocurrir después del una alteración en el movimiento del material en las áreas detrás de la zona de quemado. Si el operador se concentra solo en mirar el material en la zona de quemado durante una carga de material pesada o liviana, sin anticiparse a los cambios que se dan en la parte trasera del horno, él permitirá que el horno sobre reaccione. Esto llevará al horno a una condición cíclica que requerirá de horas e incluso días para eliminarla. Tiempo de Residencia: Bajo condiciones normales, es posible calcular, con una exactitud razonable el tiempo de residencia requerido que necesita estar el material dentro del horno. Gibbs propone esta ecuación: T = 11.4 L / NDS, En donde T = tiempo de residencia en minutos, L = longitud del horno en pies, N= velocidad del horno en revoluciones por hora, D= diámetro interno del horno en pies y S= inclinación del horno. Esta ecuación es de interés especial para un operador que comienza a operar un horno con el que nunca ha trabajado antes. De esta se puede determinar, por ejemplo, a qué hora esperar una cama de material particular va a llegar a la zona de quemado, para hacer los ajustes necesarios dependiendo del caso. Esta información es muy útil cuando en situaciones de cambio de composición, alimentación, etc. Aunque esta fórmula no tiene en cuenta factores como la granulometría o el peso especifico del material, pruebas industriales en el horno muestra que los resultados obtenidos con la formula son desfasados solo por aproximadamente 10 minutos y por tanto pueden ser usados para los propósitos descritos anteriormente.
VI. ZONA DE CALENTAMIENTO Con los equipos de control avanzados, como monitoreo por televisión, controladores automáticos, los cuales fueron descritos en el capitulo anterior, parecería que el control de un horno no es importante. Sin embargo, este no es el caso. A pesar de contar con estos instrumentos es necesario presencia de un operador que este observando constantemente la operación, la cual le permite asistir los controladores automáticos gracias a su experiencia. La zona de calentamiento es una de las funciones de control mas difíciles para el operador del horno, depende en gran parte de la habilidad de saber lo que esta pasando dentro del horno. Es por esta razón, que a un operador nuevo en su capacitación se le debe dar una introducción en el control de la zona de calentamiento. Esta función del área de control no es simplemente un chequeo si se esta obteniendo Clinker de buena calidad, sino también es una evaluación del Clinker, el encostramiento, la llama y la corriente de aire. El color es un indicador importante en el Clinker, el encostramiento y la llama. En general el comportamiento del Clinker, la corriente de aire y la llama pueden ser estudiados, así como la forma de la llama y el encostramiento y el tamaño de Clinker que esta siendo descargado. El pirómetro graba la temperatura de un área pequeña en comparación al tamaño real del horno. Un cambio de temperatura registrado por este dispositivo no significa que toda la zona de calentamiento este cambiando, por ende no siempre es necesario realizar algún ajuste en los controles del Horno. De hecho, un cambio en la lectura del pirómetro puede ser debido a el desplazamiento de la zona de calentamiento ocasionado por un cambio en las características de la llama o por interferencia del polvo que esta entrando a la zona de enfriamiento con el aire de combustión proveniente del enfriador. A pesar de tener como referencia las imágenes en el monitor de televisión, se debe tener en mente que la cámara no capta completamente la zona de calentamiento. Lo que se puede ver en la pantalla solo es una fracción de esta zona y en ocasiones la
interferencia hecha por el polvo puede hacer que la visibilidad sea mínima y a veces imposible. Finalmente uno o ambos instrumentos pueden fallar, por esta razón es necesario el entrenamiento exhaustivo de un operador que controle la zona de calentamiento. 6.1 Conociendo el Interior del Horno. Este punto nos permitirá aprender como ver el interior del horno de manera adecuada. Esto puede parecer elemental VII. CONTROLES DE LA CAMARA DE ENTRADA Un control completo debe considerar la presión o condiciones de tiro en la parte trasera del horno, los valores de presión son una indicación de muchas irregularidades que afectan la operación y control del horno. Temperatura de la cámara de entrada: El término de temperatura de back-end, se refiere a la temperatura del gas en los hornos sin cadenas y a los gases intermedios en los hornos equipados con cadenas. Un buen control de la temperatura en el “back-end” del horno es la clave para el éxito para una operación estable. Hay un razonamiento detrás del procedimiento de controlar la temperatura de la parte trasero del horno dentro de un rango estrecho: la alimentación mientras viaja por el horno sufre cambios físicos y químicos importantes, que no pueden ser pasados por alto, si el horno debe funcionar en la condición más estable posible. El cambio más crucial que afecta al material se da en la zona de calcinación. Un quemado apropiado del material en la zona de quemado no puede darse a menos que el material este completamente calcinado antes de que entre a la zona de clinkerización. En otras palabras, la clinkerización no se llevará a cabo hasta que el dióxido de carbono (CO2) haya salido del material. Debe aclararse que cierto gradiente de calor debe existir en el horno para que el secado y la calcinación se den adecuadamente. El control de la temperatura de la cámara de entrada es en el cual el operador controla la preparación del material antes de llegar a la zona de clinkerización o quemado. El hecho de controlar la temperatura de los gases de la cámara de entrada, en lugar de la alimentación, hace hacernos esta pregunta: “No es más importante la temperatura de la alimentación que la del gas?” esto claramente es verdad, pero el hecho importante es
que la temperatura del gas es mas fácil de controlar que la temperatura de los sólidos. La temperatura de los sólidos no reacciona tan rápido como lo hace la temperatura de un gas cuando se hace cualquier cambio en las condiciones de operación. Controlando la temperatura del gas, el operador puede observa el cambio minutos después de hacer un ajuste, pero es observado en el material después de un tiempo considerado. De cualquier forma, es equivoco asegurar que la temperatura de los sólidos o el material en la cámara de entrada del horno no es importante. Esta temperatura revela información acerca de la transferencia de calor en las cadenas. Condiciones ideales: Para cualquier velocidad del horno y alimentación, hay una temperatura “back end” ideal que asegurará una preparación apropiada del material que se alimenta al horno. Si existe mucho calor en la parte trasera del horno, la alimentación sufrirá una calcinación completa, muy temprana e innecesaria y la formación del clinker comenzará más atrás en el horno. A parte de cambiar la quemabilidad de la alimentación y cambiar la zona de clinkerización hacia atrás, mucho calor en la parte trasera representa también una pobre eficiencia del combustible y un desperdicio de éste. En la dirección opuesta, si no hay el calor suficiente en la parte trasera del horno puede causar una condición indeseada en la cual la alimentación no se calcina completamente antes de entrar a la zona de clinkerización, dificultando extremadamente el quemado del material y probablemente alterando la operación del horno. La temperatura back end del horno es gobernada principalmente por 3 factores: 1. Velocidad del VTI del horno, causando cambios en el tiro. 2. Flujo o suministro de combustible, causando cambios en la entrada de calor 3. Alimentación, causando cambios en la carga seccional del horno resultante de una variación en la tasa de alimentación, velocidad del horno o tasa de recirculación de polvo. De estas la velocidad del VTI y el flujo de combustible son las causas usuales de los cambios en la temperatura de back-end. Cuando una de estas variables se cambia y las otras permanecen constantes, un incremento de la temperatura de back-end resultara de un incremento en la velocidad del VTI, un incremento en el combustible o una disminución en la alimentación. Inversamente, se obtiene una disminución en la temperatura back-end si se disminuye la velocidad del VTI del horno, o si se disminuye el flujo de combustible o si se incremente la alimentación.
Cambios en la alimentación no ocurren de manera mecánica si la velocidad del horno se mantiene constante. De todos modos, a veces la carga de material cambia por fallas mecánicas en el sistema de alimentación, obstáculos de material en las cadenas o más comúnmente por cambios o alteraciones en la velocidad del horno. Esto tendrá una influencia directa con la temperatura de la cámara de entrada. Control de temperatura: el control de la temperatura de la cámara de entrada está relacionada con la cantidad de oxigeno, flujo de combustible y control de la zona de clinkerización. De hecho, cuando el operador hace un ajuste en cualquiera de las variables de control, el tendrá que considerar las reacciones que se llevarán a cabo en todas la 3 zonas del horno. Dos condiciones comunes, directamente relacionadas con la temperatura de back-end del horno, son ejemplos clásicos en el cuales el operador confronta sus habilidades especiales para su corrección. En el siguiente ejemplo, condiciones deseadas son mostradas en la primera columna y las condiciones de operación actuales en cierto horno son mostradas en la columna 2. Deseada
Actual
Temperatura back-end
815°C
870°C
Temperatura zona de clinkerización
1540°C
1565°C
Oxigeno en gases de salida
1.0 a 1.5%
0.7%
Es aparente que las temperaturas de back-end y zona de clinkerización están muy altas, y que el porcentaje de oxigeno esta por debajo de su mínimo permisible. La velocidad del VTI no puede reducirse pues resultará una menor cantidad de oxigeno y conllevara a una combustión incompleta del combustible. De cualquier forma, un factor favorable es que la temperatura de la zona de clinkerización es más alta que la deseada. Esto es importante, por que un buen calentamiento de la zona de quemado es un requerimiento absoluto para llevar a cabo medidas correctivas. El primer paso es reducir el flujo de combustible levemente lo que incrementará el oxigeno. La zona de quemado no se enfriará si no se hacen más pasos que éste, por lo tanto tan pronto se incremente el contenido de oxigeno, se debe reducir la velocidad del VTI del horno de tal manera que el contenido de oxigeno vuelva a 0.7%. La temperatura back-end ahora
se disminuirá y teóricamente la temperatura de la zona de clinkerización se mantendrá debido a que con más baja velocidad del VTI menos calor es transferido a la parte atrás. Para reducir la temperatura de back-end en 100°, el procedimiento de arriba debe repetirse varias veces en pequeños pasos, asegurándose de permitir periodos sin cambio para observar las reacciones con detenimiento y evitar sobrecalentamiento. La zona de clinkerizacion debe mantenerse bien calentada durante todo el proceso, cuando esta temperatura disminuya, se debe parar el procedimiento hasta que esta zona vuelva a calentarse de nuevo. El ejemplo se basa en el supuesto de estar trabajando el horno a máxima velocidad por muchas horas antes de hacer algo para bajar la temperatura de back-end. Si la velocidad del horno es menor que la velocidad total de operación, el procedimiento no es conveniente por que un incremento en la velocidad del horno, bajara automáticamente la temperatura de back-end. Este ejemplo se cumple con el propósito de mostrar como la temperatura back-end puede disminuirse hasta cuando las condiciones de operación son bastante estables por muchas horas o hasta días. Es un hecho que muchos hornos rotatorios están operando sin notarlo con temperaturas excesivamente altas en el back-end del horno. Bajos contenidos de oxigeno no necesariamente significa que uno debe operar el horno a alta velocidad del VTI y flujo de combustible. Ahora considerando otro ejemplo en el cual la temperatura back-end es 760°C, la temperatura de la zona de clinkerización es 1540°C y el oxigeno es 1.5%. En este caso se asume que el horno en cuestión trabaja esta operando a velocidad total. La temperatura de la zona de quemado y el contenido de oxigeno están ambos en el nivel deseado pero la temperatura back-end esta más baja que la requerida. Primero incrementar levemente la velocidad del VTI, esto causará que la temperatura back-end y el contenido de oxigeno se incrementen. La temperatura de la zona de clinkerización ahora disminuirá si no se hacen más pasos. Tan pronto el indicador de oxigeno muestre una mayor lectura, incrementar el flujo de combustible, esto conllevara a que el contenido de oxigeno vuelva a 1.5% nuevamente. Este incremento en combustible será compensado por el calor removido de la parte trasera del horno por el incremento del VTI. Aquí, se debe asegurar que el procedimiento se repita varias veces en pequeños pasos, y si se observa algún cambio en la condición de la zona de clinkerizacion, el
procedimiento debe pararse hasta que la zona de clinkerización regrese a la normalidad. En este capitulo, los términos ideal y temperatura apropiada de back-end, han sido usados, lo cual no hace cuestionarnos: “Cual es la temperatura back-end apropiada y como puede ser determinada?” Esto no puede ser fácilmente contestado porque muchos factores como la alimentación, velocidad del horno, composición del material, humedad y otros tienen influencia en la temperatura back-end. Sabemos que ciertas condiciones son resultados directos de una temperatura back-end incorrecta, las siguientes señales indican una temperatura back-end muy alta:
El horno esta operando continuamente con un alto contenido de oxigeno en los gases de salida.
Condiciones de fácil quemado intensificado por la condición en la que el clinker se forma mucho antes de llegar a la llama. La zona de clinkerizacion es inusualmente larga.
Operaciones anteriores muestran que el horno ha sido operado bajo condiciones estables previamente por tiempo prolongado con baja temperatura back-end, bajo casi condiciones idénticas de velocidad del horno, alimentación, composición del material, etc.
El horno esta operando con baja eficiencia del combustible, más combustible que el requerido normalmente esta siendo usado para quemar la misma cantidad de alimentación dada.
Humedad más baja de la normal de la muestra tomada del final de las cadenas en un proceso por vía húmeda.
Una temperatura back-end que es muy baja puede indicarse de la siguiente manera: El horno opera por un periodo de tiempo extendido a bajo contenido de oxigeno en los gases de salida. Dificultad de quemado por tiempo prolongado causado por una alimentación parcialmente calcinada entrando a la zona de clinkerización. Contenido de humedad más alto de lo normal de la muestra de material tomada al final de las cadenas en un proceso húmedo.
Es importante que el horno este en una condición relativamente estables antes de analizar las condiciones de temperatura en la cámara de entrada del horno. El estudio de operaciones antiguas del horno por medio de graficas y datos revela información importante para conocer si la actual operación es similar a operaciones estables que se han dado previamente. El continuo control de la temperatura back-end es esencial para mantener condiciones estables en el horno. Las oportunidades de obtener condiciones estables permitiendo fluctuaciones en la temperatura back end son nulas. Tiro en cámara de entrada: En las técnicas de quemado descritas previamente, el operador usa la presión en la cámara de entrada como indicador de la formación de anillos, taponamientos en la sección de cadena, irregularidades en el desempeño del VTI o para la detección de posibles fugas de aire en el sistema entre la cámara de entrada y el VTI. El tiro en la cámara de entrada no debe ser usado para regular el perfil de temperatura del horno porque muchos factores pueden causar cambios en este tiro. Para alcanzar una operación del horno satisfactoria, los objetivos principales deben ser: tener una temperatura back-end constante, un contenido de oxigeno de 0.7% a 1.5% y una temperatura de aire secundario lo más constante posible. Para cumplir con esos objetivos, la velocidad del VTI puede cambiarse, para variar el tiro con las revoluciones por minuto con todo lo demás constante, un incremento en la velocidad del VTI causa un incremento en el tiro del horno (mayor arrastre). Variaciones del Tiro Cambios en la velocidad del VTI es lo más común para cambiar el tiro o arrastre del horno. Esto es natural porque cada alteración en la velocidad del VTI, cambia la velocidad de gases que pasan a través del horno. Por lo tanto, cuando el operador detecte un cambio en el tiro de la cámara de entrada su primera pregunta será: “Fue la velocidad del VTI alterada justamente antes del cambio observado en el tiro?” si la respuesta es negativa, la razón puede ser una de las siguientes: 1. Una compuerta de inspección entre el horno y el VTI ha sido cerrada o abierta. 2. La puerta de la cámara de combustible ha sido cerrada o abierta (como por ejemplo cuando el polvo de esta cámara debe ser vaciado a un camión) 3. La posición del damper de aire frío en la parte trasera del horno ha sido cambiado.
Si cualquiera de las compuertas o damper mencionados anteriormente es abierta, el tiro en la cámara de entrada del horno diminuirá debido a que el aire atmosférico es halado dentro del sistema, reduciendo la cantidad de gases halados a través del horno. Por otro lado, cerrar cualquiera de esas compuertas causará un incremento en su tiro. Dependiendo del tamaño de la compuerta o el damper, los cambios en el tiro serán muy pequeños o muy grandes que pueden alterar el horno si no se actúa rápidamente. Perdiendo tiro del horno en cualquiera de las maneras descritas anteriormente bajará el contenido en los gases de salida y también disminuirá la temperatura de back-end. Bajo tales condiciones, es aconsejable ajustar la velocidad del VTI para regresar al nivel de tiro normal del horno, y también debe regresar el contenido de oxigeno y la temperatura de back-end del horno a sus valores normales. Esto ilustra el importante uso del grabador de tiro de la cámara de entrada, el cual indica inmediatamente cualquier cambio en la velocidad del gas dentro del horno, la cual bajo condiciones estables del horno debe ser bastante constante. Cualquier operador de campo que tenga que abrir una de las compuertas de la cámara de entrada debe siempre reportar sus intenciones primero al operador de COP, para obtener su permiso antes de realizar cualquier cambio. Ciertamente no le ayuda nada al operador que alguien haga cambios sin que él los sepa, especialmente en una condición critica del horno. Ahora asuma que hay una caída drástica en el tiro del horno pero no se ha cambiado nada en el VTI, no se ha abierto puertas ni dampers. Cuando la velocidad del VTI es constante y una obstrucción como un anillo es derribado con o sin intención inmediatamente ocurrirá una caída de tiro. Por otro lado, si un anillo esta en proceso de formación, el tiro o arrastre en la cámara de entrada se incrementará progresivamente tanto como se siga formando. Esta es otra razón importante que justifica una atención cercana a las variaciones del tiro en la cámara de entrada. Formaciones de anillos o caídas de estos pueden ser fácilmente detectadas en la evaluación del tiro, para esto se tienen herramientas como la grafica mostrada en la figura 7:1, donde se muestra el comportamiento del tiro en esta sección. Esto es de especial ayuda en caso del rompimiento de un anillo o el taponamiento en la sección de cadena, dándole al operador tiempo de ajustar el horno para una carga esperada más pesada.
