producción de cemento.
Durante la última semana de enero y primeras de febrero de 2010 se realizó el ensayo industrial de evaluación de la viabilidad del Neutral como materia prima alternativa para la producción de cemento Portland. La prueba incluyó la participación de diferentes agentes: Me
Barcelona, proporcionó el fango a tratar; Hera, en Vacarisses, realizó el tratamiento de fangos y producción de Neutral; Ciments Molins, en Sant Vicenç dels Horts, realizó la fabricación del cemento con Neutral; AUMA, en Barcelona, realiz
el ITCCC, en Madrid, realizó análisis sobre el cemento producido. Asimismo, la prueba sirvió para comprobar los efectos de la sustitución de piedra calcárea por Neutral desde todos los puntos de vista de la fabricación del cemento:
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la capa de mezcla atmosférica, ii) una pluma indirecta que se supone como originada aproximadamente en la altura de la capa límite y que no interactúa con la misma en modo alguno, y iii) una pluma de contaminante que ha penetrado la capa límite y que por tanto se trata como una emisión “indirecta” originada muy por encima de la altura de la capa límite.
. Esquema de los tres tipos de fuentes valoradas en el cálculo de la concentración por Aermod (elaboración propia a partir de Lakes Environmental). [Lakes, 2011]
El resultado de estas tres contribuciones es promediado por el modelo Aermod, que lo aproxima a gaussiana, formada por la suma de dos gaussianas, una a menor altura que corresponde principalmente al efecto de la pluma directa, y una segunda a mayor altura que es
ipalmente de la fuente “indirecta” considerada.
PROCESO INTEGRADO DE TRATAMIENTO DE FANGO OXIDO CALCICO Y PRODUCCIÓN DE CLÍNKER
Análisis de la adecuación del producto obtenido como materia prima para la ima semana de enero y primeras de febrero de 2010 se realizó el ensayo industrial de evaluación de la viabilidad del Neutral como materia prima alternativa para la producción de cemento Portland. La prueba incluyó la participación de diferentes agentes: Me
Barcelona, proporcionó el fango a tratar; Hera, en Vacarisses, realizó el tratamiento de fangos y producción de Neutral; Ciments Molins, en Sant Vicenç dels Horts, realizó la fabricación del cemento con Neutral; AUMA, en Barcelona, realizó las labores de coordinación global y control; y , en Madrid, realizó análisis sobre el cemento producido. Asimismo, la prueba sirvió para comprobar los efectos de la sustitución de piedra calcárea por Neutral desde todos los puntos de
fabricación del cemento:
la capa de mezcla atmosférica, ii) una pluma indirecta que se supone como originada apa límite y que no interactúa con la misma en modo alguno, y iii) una pluma de contaminante que ha penetrado la capa límite y que por tanto se trata como una emisión “indirecta” originada muy por encima de la altura de la capa límite.
. Esquema de los tres tipos de fuentes valoradas en el cálculo de la concentración por Aermod (elaboración
promediado por el modelo Aermod, que lo aproxima a gaussiana, formada por la suma de dos gaussianas, una a menor altura que corresponde principalmente al efecto de la pluma directa, y una segunda a mayor altura que es
TRATAMIENTO DE FANGOS POR ADICIÓN DE Análisis de la adecuación del producto obtenido como materia prima para la ima semana de enero y primeras de febrero de 2010 se realizó el ensayo industrial de evaluación de la viabilidad del Neutral como materia prima alternativa para la producción de cemento Portland. La prueba incluyó la participación de diferentes agentes: Metrofang Besòs, en Barcelona, proporcionó el fango a tratar; Hera, en Vacarisses, realizó el tratamiento de fangos y producción de Neutral; Ciments Molins, en Sant Vicenç dels Horts, realizó la fabricación del ó las labores de coordinación global y control; y , en Madrid, realizó análisis sobre el cemento producido. Asimismo, la prueba sirvió para comprobar los efectos de la sustitución de piedra calcárea por Neutral desde todos los puntos de
• Calidad. Valoración de la modificación de las propiedades de los productos intermedios (clínker) y finales fabricados (cemento).
• Producción. Valoración de la viabilidad técnica en las condiciones de fabricación.
• Medio Ambiente. Valoración del impacto ambiental en la producción de clínker.
3.5.1.1 Infraestructura y logística del ensayo de validación
El ensayo requirió la instalación de unos equipos auxiliares para la alimentación del Neutral como producto externo y su introducción al flujo de material de la fábrica de cemento. El sistema de alimentación contó básicamente de los siguientes elementos: dos silos pulmón (tipo mortero seco) de 22 m3 cada uno, dos compresores auxiliares para la introducción del material de las cisternas
en los silos, y tolva modificada dotada de tornillo de alimentación y sistema de filtro para evitar emisiones de polvo al entorno. Adicionalmente se dispuso cuatros camiones cisterna dotados de compresor dedicados a realizar los trayectos desde la planta piloto de Alchimix ubicada en Vacarisses hasta la fábrica de cemento de Molins en Sant Vicenç dels Horts. Las actuaciones previas y los requerimientos de la Autoridad Ambiental (DGQA) exigieron disponer de sistemas de medición de las emisiones así como su calibración de manera previa a la prueba. Entre estos cabe destacar: sistemas automáticos de medida de partículas, CO, NOx y SO2, calibrados según
los criterios de la instrucción técnica IT014 [DGQA, 2009] para el horno número 3. Por otra parte la realización de un ensayo de control en el horno de cemento mientras este funcionase con el combustible y materias primas habituales. Este debía consistir en la realización de una campaña de control de emisiones, de COT, HCl, HF, metales pesados, dioxinas y furanos por una entidad acreditada. Realización de medias semihorárias de dos días de funcionamiento del horno en condiciones similares a las de la realización de la prueba con sustitución prevista. Asimismo previamente a las pruebas se realizaron sesiones de formación en seguridad y medio ambiente para el personal que iba a intervenir en la prueba y para el resto de personal interesado.
3.5.1.2 Fabricación del clínker y cemento con adición de Neutral. Control de las emisiones.
Una vez se realizo la dosificación y homogenización del crudo con adición de Neutral y este permanecía en el silo se procedió a la fabricación a nivel industrial del clínker con sustitución de dicha materia prima de acuerdo a las indicaciones expresadas en la Autorización Ambiental de la prueba. Dichas indicaciones incluían la frecuencia de muestreo para cada contaminante esperado, así se realizo una medida de HCl de duración no inferior a 60 minutos, una medida de HF de duración no inferior a 60 minutos, una medida de metales pesados (Cd, Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni y V), una medida de dioxinas y furanos de duración entre 6 y 8 horas, y la medida del COT en continuo.
Ensayos de calidad de producto.
Análisis del crudo y del clínker. Para el análisis de los parámetros relacionados con la
composición del crudo de cemento se utilizó el laboratorio de Ciments Molins Industrial dotado de estaciones automáticas de muestreo y medidas por ICP y FRX para la mayoría de parámetros entre los que cabe destacar: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, K2O y SO3. Los valores de los óxidos
metálicos, que se encuentran en la literatura como típicos para los clínkeres de cemento Portland se presentan en la tabla 3.15 [Duda, 1977].
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Tabla 3.15. Composición de óxidos típica del clínker de cemento Portland [Duda, 1977]
Compuesto Composición Compuesto Composición
SiO2 16 - 26% CaO 58 – 67 % Al2O3 4 – 8 % MgO 1 – 5 % Fe2O3 2 – 5 % K2O + Na2O 0 – 1 % Mn2O3 0 – 3 % SO3 0,1 – 2,5 % TiO2 0 – 0,5 % P2O5 0 – 1,5 % Pérdida al Fuego (PF) = 0,5 – 3 %
Se puede observar que se admite una cierta variabilidad en los parámetros de la composición, dado que si bien las especificaciones para el cemento Portland “para uso común” son parecidas pero no idénticas según las características de la materia prima que se utiliza. En todo caso es importante limitar el contenido de alguno de los óxidos. Así, el contenido en MgO se limita ya que un exceso puede provocar la aparición de periclasa, la cual puede dar lugar a la destrucción expansiva del cemento una vez fraguado. Del mismo modo, la cal libre o contenido de CaO puede dar lugar a un efecto parecido al anterior, además de condicionar la presencia de alita (cristales ricos en C3S) en el clínker, la cual proporciona la mayor resistencia al cemento. Por otra parte un
contenido excesivo de SO3 puede dar lugar asimismo a una expansión retardada, mientras que
los óxidos alcalinos, como K2O y Na2O pueden comportarse del mismo modo en presencia de
ciertos compuestos [Taylor; 1990].
La metodología utilizada por Ciments Molins para la valoración de la composición mineralógica de las cuatro fases principales del clínker fue la utilizada en la producción de cemento. El método, desarrollado por Bogue [Bogue; 1955] permite deducir de antemano el orden de magnitud de la contribución de las fases en peso sobre el clínker en base a la estequiometría de los compuestos de óxidos y minerales. Los coeficientes estequiométricos de masa de contribución de los óxidos metálicos a la formación de las fases principales del clínker se recogen en la tabla 3.16.
Tabla 3.16. Relación en peso de los óxidos metálicos con las fases básicas del clínker
C3S C2S C3A C4AF
CaO 0,7369 0,6512 0,6227 0,4616
SiO2 0,2631 0,3488 ---- ----
Al2O3 ---- ---- 0,3773 0,2098
Fe2O3 ---- ---- ---- 0,3286
Así las fases del clínker se pueden obtener a partir de las siguientes relaciones y composición en óxidos que describen las ecuaciones 3.48 – 3.51. Estas describen la composición potencial del clínker Portland según Bogue [Bogue, 1955].
C3S = 4,071 * CaO – 7,600 * SiO2 – 6,718 * Al2O3 – 1,430 * Fe2O3 Ec. 3.48
C2S = 8,602 * SiO2 + 5,068 * Al2O3 – 3,071 * CaO + 1,078 * Fe2O3 Ec. 3.49
C3A = 2,650 * Al2O3 + 1,692 * Fe2O3 Ec.3.50
Por otra parte cabe señalar que el procedimiento de cálculo expresado en la norma española [UNE 80304:2006], para la estimación de la composición potencial del clínker portland se basa en el mismo método y concluye esencialmente en las mismas ecuaciones para el caso A/F > 0,64. Ello se cumple, a excepción del caso de la evaluación del C2S, que en la norma europea, de una
mayor vigencia y aplicabilidad y que describe la ecuación 3.52.
C2S = 2,8675 * SiO2 – 0,7544 C3S Ec.3.52
De forma adicional, la norma presenta una formulación adicional para el caso A/F < 0,64, es decir en el cual no se forma C3A. Esta formulación queda descrita por las ecuaciones 3.53– 3.58.
C3S = 4,071 * CaO – 7,600 * SiO2 – 6,718 * Al2O3 – 1,430 * Fe2O3 Ec.3.53
C2S = 2,8675 * SiO2 – 0,7544 C3S Ec.3.54
C3A = 0 Ec.3.55
C4AF = 4,77 * Al2O3 Ec.3.56
C2F = 1,7 * Fe2O3 – 2,66 * Al2O3 Ec.3.57
C6AF2 (C4AF + C2F) = 2,1 * Al2O3 + 1,7 * Fe2O3 Ec.3.58
Análisis del cemento. Tras la prueba industrial se determinaron los parámetros de la calidad del
cemento obtenido con sustitución de piedra calcárea por Neutral. Estos se determinaron en el laboratorio de Ciments Molins a través de métodos estándar [UNE 80216:1991; UNE 80217:1991; UNE-EN 196-2:1996]: composición mineralógica mediante DRX y FRX, pérdida al fuego mediante termobalanza, superficie específica mediante turbidimetría de Blaine y resistencia mediante el ensayo a compresión.
Superficie específica. El trabajo de molienda en la fábrica de clínker supone uno de los procesos
principales tras la cocción. El grado de molturación y por tanto la distribución granulométrica del crudo, el clínker y el cemento condicionan en cada caso la aptitud para la cocción, la reactividad y por tanto en último caso las condiciones de hidratación, endurecimiento y fraguado. La fracción más fina (inferior a 3 µm) aporta al cemento resistencia a corto plazo y aporta la mayor resistencia al cabo de un día. La fracción de tamaño mayor a 60 µm, se hidrata más lentamente y contribuye de forma marginal a la resistencia final del cemento.
Resistencia. El cemento presenta, principalmente, una elevada resistencia a la compresión,
mientras que su resistencia a los esfuerzos cortantes y a tracción son inferiores. Por este motivo, en su utilización y en el diseño de las obras en las que se utiliza hormigón se restringen los esfuerzos que no sean a compresión. Conociendo dicho comportamiento, normalmente se caracterizan los cementos en función de su resistencia a la compresión, habiéndose normalizado en España, según las correspondientes instrucciones técnicas los ensayos que se deben realizar en la recepción de los cementos en obra. Concretamente se aplicó aplica la norma IT RC-03 (RD 1797/2003) para la recepción de cementos que describe las prescripciones necesarias para la aceptación de los cementos en función de su clase resistente. En la tabla 3.17 se recogen los valores de resistencia, tiempo de fraguado y estabilidad de volumen, exigibles en la puesta en
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obra del cemento, que han servido como referencia para la evaluación de los resultados obtenidos en las pruebas efectuadas.
Tabla 3.17. Prescripciones técnicas de los cementos según clase de resistencia [IT RC-03]
Clase de resistencia
Resistencia a compresión (MPa), según UNE-
EN 196-1:1996 Tiempo de fraguado, según UNE-EN 196-3:1996
Estabilidad de volumen, según
UNE-EN 196- 3:1996 Resistencia inicial Resistencia nominal Inicio
(minutos)
Final (horas)
Expansión (mm) 2 días 7 días 28 días
32,5 N --- ≥16,0 ≥32,5 ≤52,5 ≥75 ≤12 ≤10 32,5 R ≥10,0 --- 42,5 N ≥10,0 --- ≥42,5 ≤62,5 ≥60 42,5 R ≥20,0 --- 52,5 N ≥20,0 --- ≥52,5 --- ≥45 52,5 R ≥30,0 ---
3.5.2 Análisis de Ciclo de Vida (ACV)
3.5.2.1 Escenarios analizados
La evaluación ambiental de la aplicación del producto obtenido de la estabilización de fangos EDAR por adición de oxido de calcio (Neutral) a la producción de clínker en la industria cementera se ha realizado a través de la aplicación de un análisis del ciclo de vida a tres escenarios:
• Escenario 1. “BASE“. Producción de clínker convencional, aplicando las mejores
tecnologías disponibles, sin utilización de materiales secundarios.
• Escenario 2. “SECADO”. Producción de clínker con sustitución parcial del combustible
por fangos secados en proceso térmico a baja temperatura.
• Escenario 3. “ALCHIMIX”. Producción de clínker con sustitución parcial de caliza por
Neutral o producto inertizado del proceso Alchimix
El escenario “Base” representa la alternativa que no integra las corrientes de fango al proceso de fabricación de clínker, el de “Secado” representa realizar el aprovechamiento energético de los fangos incluyendo el proceso previo de secado y el denominado “Alchimix” supone el aprovechamiento como materia prima alternativa del producto de la inertización realizada con la tecnología propuesta. En este sentido se entiende necesaria la aplicación de una metodología objetiva para la comparación de la aplicación de las alternativas descritas en un horizonte a largo plazo, motivo por el cual se plantea la realización de un estudio ACV de tipo “de la cuna a la puerta”, o “Cradle-to-Gate” en terminología anglosajona, en el cual se analiza estrictamente el funcionamiento de ambos sistemas de forma alternativa y en estado estacionario, es decir, se llega a comparar sus efectos ambientales producidos durante el periodo de operación.
El análisis de ciclo de vida planteado inicialmente responde a la valoración de los impactos, que se realiza en unidades físicas de caracterización de las magnitudes equivalentes que valoran cada categoría de impacto. La controversia para muchos de estos impactos se encuentra en que evalúan el denominado “punto medio” (MID-POINT) de la cadena causa-efecto, es decir, lo que
potencialmente se considera como la primera consecuencia cuantificable que repercute sobre el ambiente. Estos no siempre reflejan una clara alteración o daño sobre la salud humana o pérdida de especies animales de un lugar determinado, conocido como daño en el punto final de esta cadena (END-POINT) [Giraldi, 2010]. Las categorías de impacto seleccionadas en el caso del presente estudio son las siguientes:
Categoría de Impacto Alcance espacial
• Agotamiento de Recursos abióticos global
• Agotamiento de la capa de ozono global
• Calentamiento Global global
• Acidificación continental/regional/local
• Eutrofización continental/regional/local
• Intoxicación de las aguas superficiales continental/regional/local
• Oxidación fotoquímica regional/local
Se considera apropiado el análisis de alguna de las categorías de impacto de la metodología CML 2001, si bien también parece apropiada la evaluación según Ecoindicador 99 y Escasez Ecológica como indicadores generales que permiten evaluar el impacto de los procesos sobre el medio y afección a los ecosistemas. De forma adicional durante el desarrollo de la fase de divulgación se ha establecido el análisis de Demanda Acumulada de Exergía (CExD) de los productos en función de la unidad escogida, cuantificando de este modo la repercusión sobre los sistemas energéticos globales. Cabe destacar asimismo la utilización de la metodología GWP100 (Global Warmimg Potential 100 years) basada en las indicaciones del panel IPCC para la evaluación de las emisiones de gases de efecto invernadero en función de las equivalencias descritas en el 4th
Assessement Report de 2007. [IPCC, 2007].
Las cuatro metodologías empleadas en la valoración a través de ACV se definen del siguiente modo:
CML. Método desarrollado por un grupo liderado por el CML (Center of Environmental Science of Leiden University), presenta un acercamiento a los problemas ambientales que pueden producir los sistemas en estudio. En este se definen una serie de categorías de impacto orientadas al análisis Mid-Point. Si bien la metodología acepta la posibilidad de normalizar los resultados, en el presente estudio se ha considerado únicamente el paso de caracterización, por buscarse la cuantificación en unidades físicas medibles.
Demanda Acumulada de Exergía (CExD). La metodología se introduce para visualizar la
eliminación total de exergía de la naturaleza para la producción, en este caso, del producto que constituye la unidad funcional (clínker de cemento Portland). La metodología CExD valora la calidad de la demanda de energía e incluye la exergía de los vectores energñeticos así como de los materiales no energéticos. La exergía constituye una manera para expresar la calidad de la energía, de modo que expresa la cantidad de trabajo útil que un vector enegético puede ofrecer, de modo que puede valorarse la pérdida potencial de energía útil de la naturaleza. Esta metodología únicamente admite la etapa de caracterización.
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Ecoindicador 99. Se trata de una metodología que realiza una agrupación de las categorías de
impacto para realizar una evaluación del daño (metodología orientada a daño), y por tanto orientada al análisis del End-Point, causado a tres categorías agregadas: daño a la salud humana, daño a la calidad de los ecosistemas y daño a recursos. El daño a la salud humana se realiza mediante la cuantificación mediante DALY (Disability Adjusted Life Years), que representa la cantidad de años perdidos y la cantidad de años de vida en incapacidad. El daño a la calidad de los ecosistemas se evalúa en términos de la pérdida de especies en un área concreta durante un periodo de tiempo determinado. El daño a recursos se expresa como la cantidad de energía adicional necesaria para la extracción futura de minerales y combustibles fósiles. Esta metodología admite caracterización y posterior normalización.
IPCC 2001 GWP. Esta metodología fue desarrollada por el IPCC realizando un listado y valorando
el potencial de calentamiento global de un importante número de sustancias. Si bien, por definición es posible aplicar el método en horizontes bien a 20, 100 o 500 años, en el presente trabajo se ha considerado útil la utilización del horizonte a 100 años. Este método realiza únicamente caracterización.
Por otra parte, la confección de los balances de proceso en forma “top-down” ha permitido asimismo la deducción de parámetros de ahorro en emisiones y eficiencia energética que permiten la valoración práctica o la conveniencia de la aplicación de cada una de las alternativas y su repercusión a valor económico.
3.5.2.2 Función y unidad funcional
El estudio se estructura en dos fases, respondiendo a la función de los sistemas productivos que se utilizan. Por una parte se consideran los sistemas de tratamiento de fangos para obtener los productos intermedios, bien sean fangos secos, bien sea el inertizado rico en calcio; fase en la cual se utiliza la unidad másica de fango fresco (1 tonelada de fango fresco; fango deshidratado mediante centrifuga al 68% humedad, respondiendo a la humedad promedio de los análisis