Sustitución de Clinker mediante Mezcla de Cemento para Reducir Emisiones de Carbono
Argos Rio Claro, Colombia, propiedad y operada por su empresa matriz Cementos Argos, deseaba lograr una mayor tasa de sustitución de clinker para su cemento Portland, mediante la mezcla de materiales cementantes alternativos. Esta sustitución está ayudando a avanzar en la iniciativa de sostenibilidad de la empresa para lograr cero emisiones de carbono en concreto para 2050 o antes. El proyecto resultante implicó la construcción del horno de arcilla calcinada más grande del mundo en operación hasta la fecha, con una capacidad de 1500 toneladas/día.
Una operación de este tipo normalmente requeriría un sistema complejo para gestionar, medir y mezclar materiales con el nivel de precisión requerido, sin embargo, Argos Rio Claro pudo gestionar sus actualizaciones de proceso con un sistema compacto que simplificó los pasos del proceso sin sacrificar precisión o eficiencia.
Los Desafíos que Plantean las Arcillas Calcinadas
La empresa seleccionó un ingrediente puzolánico natural para su formulación, arcilla calcinada, e instaló una línea de producción con una capacidad de hasta 0.45 millones de toneladas métricas/año.
El producto final, un cemento puzolánico (PPC), es más suave con el medio ambiente, reduciendo las emisiones de CO2 en un 38% en comparación con el procesamiento de cemento tradicional y utilizando un 30% menos de energía que la producción de cemento Portland ordinario (OPC).
Mauricio Giraldo, Director de Combustibles Alternativos de Argos Rio Claro, dijo que, como regla, la industria del cemento prefiere “tecnologías probadas” al salir al mercado. Este nuevo proyecto, construir un horno de arcilla calcinada tan grande, involucró varias incógnitas. La experiencia de Schenck Process llevó a Argos a asociarse con ellos para el equipo necesario para realizar la transición.
A nivel mundial, varias empresas están trabajando con arcillas calcinadas, dijo el Dr. Giraldo. Sin embargo, presenta un conjunto único de desafíos, entre ellos, el hecho de que el comportamiento de los materiales es imposible de predecir con un 100% de precisión.
¿Qué es el Cemento Puzolánico?
La palabra “Puzolana” proviene de una referencia italiana al polvo volcánico encontrado cerca del Vesubio. Una puzolana natural sería cualquier material de origen volcánico o una arcilla sedimentaria y se ha utilizado como material aglutinante desde el imperio romano. Más recientemente, se ha encontrado que una serie de otros materiales tiene la capacidad de reaccionar con hidróxido de calcio y, por lo tanto, el término Materiales Cementantes Suplementarios, o SCMs, ha entrado en juego. Los SCM´s provienen de desechos industriales o materiales procesados, tales como puzolanas artificiales, escoria de alto horno, ceniza volante o ceniza de cáscara de arroz, por ejemplo. Los cementos elaborados con SCM´s están regidos por normas internacionales ASTM.
PPC o cemento Portland Puzolánico se elabora mezclando un 20-30% de puzolana o SCMs con OPC. Cuando se mezcla con agua o cal, los materiales puzolánicos experimentan una reacción con hidróxido de calcio que forma compuestos con propiedades similares al cemento.
El cemento Portland ordinario es el tipo más común utilizado en la industria, una mezcla de piedra caliza, yeso y un material calcáreo. El OPC tiene una gran resistencia inicial cuando se mezcla y requiere menos tiempo de curado que el PPC.
Sin embargo, durante su vida útil, el PPC tiene mayor durabilidad y trabajabilidad, y se fortalece a medida que se cura. Además, el PPC es más ecológico y, ventajoso para la industria del cemento, tiene un costo de producción más bajo que el OPC debido a su menor consumo de energía.
La variedad de materiales en puzolana dicta la necesidad de una dosificación y mezcla cuidadosas para lograr un producto final con propiedades y comportamiento deseados. La reactividad del material puzolánico depende de una variedad de factores, como el tamaño de partícula individual, la composición del material y la temperatura. Otras consideraciones para un resultado exitoso incluyen la composición del material original, los materiales constituyentes y los tiempos/procedimientos de curado.
El tiempo de reacción de una puzolana se acelera en proporción a temperaturas más altas o cuando se usa junto con un cemento Portland de alto contenido alcalino. El material que la planta de Argos pretende utilizar, arcilla calcinada, aumentará la trabajabilidad. Otros factores involucrados en el tiempo de reacción incluyen los requerimientos de agua y la recalibración del aditivo químico.
Inversión en Prácticas Empresariales Sostenibles
Cementos Argos invirtió $78 millones de USD en convertir esta línea de producción en la fabricación y distribución de cemento verde. La fabricación de cemento puzolánico es más amigable con el medio ambiente en parte porque la incorporación de arcillas calcinadas reduce el uso del clinker. La relación puzolana/clinker es críticamente importante para su funcionalidad. Esto es lo que conduce a la reducción de emisiones de CO2 y un menor consumo de energía.
Según una revisión en la revista Materials, “Tecnologías de Clinker Alternativas para Reducir las Emisiones de Carbono en la Industria del Cemento,” “los dos principales contribuyentes de CO2 en (la producción de cemento) son la combustión de combustibles fósiles para calentar el horno rotatorio y la reacción química asociada con el proceso de calcinación, en la producción del clinker, el componente principal del OPC.”
Afirmó además que “la producción de una tonelada de clinker libera aproximadamente 0.83 toneladas de CO2 y la producción de una tonelada de OPC libera aproximadamente 0.54 toneladas de CO2. La combustión de combustibles fósiles para calentar el horno de cemento es responsable del 35% al 40% de las emisiones.”.
Los materiales puzolánicos en general, ayudan a crear:
- Cemento de tamaño Blaine muy fino con baja porosidad
- Esta baja porosidad llena los huecos entre los agregados y el refuerzo para reducir la contracción o formaciones de panal, aumentando la durabilidad y resistencia del producto final
- Un proceso de fabricación ecológico que utiliza subproductos industriales que de otro modo se desecharían como ingredientes dentro de la mezcla de cemento
- Material resistente a ataques de sulfato, lo que lo convierte en una excelente opción para estructuras hidráulicas o marinas, construcción de presas, etc.
- Reduce las emisiones de dióxido de carbono en comparación con el OPC
El horno de arcilla calcinada más grande del mundo confió en Schenck Process para la dosificación y mezcla precisa
Schenck Process Responde a los Desafíos
La sustitución de clinker requiere mediciones muy precisas debido a las diferentes tasas de sustitución dependiendo de la molienda de varios materiales suplementarios. También requiere una mezcla exhaustiva de estas combinaciones de ingredientes para lograr un resultado homogéneo, uno que haya sido correctamente dosificado. Dijo el Dr. Giraldo, “Cada centímetro cúbico del material en una bolsa de cemento debe ser el mismo—bien mezclado—para ofrecer un producto viable al usuario final al construir algo.”
Según el Dr. Giraldo, esto generalmente involucra un sistema de equipo complicado. Sin embargo, los representantes de Schenck Process presentaron una propuesta para un sistema compacto y simple basado en dos sistemas de dosificación MULTICOR®. Esto permitió a Cementos Argos instalar la solución más rentable, precisa y eficiente para su procesamiento.
Especificaciones de la Solución Completa de Schenck Process
Cementos Argos en 2019 lanzó un nuevo tipo de cemento puzolánico llamado “Cemento Verde”.
El sistema diseñado por Schenck Process fue fácil de instalar y se ajustaba a las especificaciones del cliente para minimizar su huella en la planta, precisión, confiabilidad de suministro y durabilidad y requerir poco mantenimiento.
El conocimiento técnico de Schenck Process fue crítico para el éxito de la operación, especialmente considerando sus técnicos de servicio locales en Colombia, y el hecho de que Schenck proporciona una solución completa desde el diseño y la ingeniería hasta la puesta en marcha.
Las partes específicas del sistema que Schenck Process suministró incluyeron un:
- Medidor de flujo Coriolis MULTICOR®
- Controles de supervisión (DISOCONT® TERSUS)
- Válvulas deslizantes
- Válvulas de control
- Deslizadores de aire
- Colectores de polvo
- Sopladores
- Dibujos/diseños de ingeniería
De particular valor para Argos fue la tecnología de Schenck para la medición de flujo y mezcla, en su MULTICOR®, un dispositivo de dosificación/alimentación de caudal másico. Esto proporciona una medición de flujo precisa según el principio de Coriolis. Este es un principio de medición único para sólidos a granel, independiente de los cambios en las propiedades del material que pueden crear errores en otros métodos de medición.
El MULTICOR® mide el flujo de material con una precisión de ±0.5%. Los flujos másicos son medidos y alimentados con exactitud en conjunto con un alimentador previo ajustable. Esta precisión ofrece a la planta 1) ahorros de costos al suministrar el caudal exacto y 2) un producto final de alto valor.
De principio a fin, el proyecto tomó seis meses desde el diseño hasta la instalación. El sistema fue instalado y ha estado en operación desde principios de 2020.
Implementación Futura del Enfoque de Argos
Según el Dr. Giraldo “Deseo ver este tipo de sistema replicado porque considero que va a cambiar las reglas del juego para la industria.”
Agregó, “Es abrumador pasar de un dibujo al edificio del sitio y saber que lo que planeaba hacer realmente funcionó. Me sentí muy orgulloso de estar involucrado con ese equipo.”
Desde la instalación del horno en 2020, Schenck Process ha suministrado tres líneas más de dosificación y mezcla de cemento en América del Norte y está en el proceso de ingeniería de varias otras.
Según Miguel R. Suárez, Director de Proyecto para Cementos Argos, S.A.,“Los
sistemas de mezcla (de Schenck) han mostrado muy buen comportamiento desde una perspectiva de calidad debido a la homogeneidad que podemos lograr en las mezclas.”
Suárez enumeró algunos de los beneficios que la empresa realizó trabajando con Schenck:
- Reducciones de costos trazadas a la optimización de la producción del molino de cemento.
- Mejora en la sostenibilidad al reducir la huella de carbono del cemento hasta en un 38%.
- Mejor calidad de cemento debido al proceso de mezcla que proporciona un mayor grado de precisión y desviaciones estándar más ajustadas en comparación con prácticas anteriores.
- Mejor flexibilidad de producción. La mezcla en línea permite a los operadores cambiar rápidamente las proporciones y aditivos para satisfacer la demanda del mercado.
- Planificación de capacidad de instalaciones más fluida debido a las mejoras en la producción, que también optimizó las instalaciones de almacenamiento debido a la rapidez en el despacho de productos terminados y un mejor uso de los silos de almacenamiento.
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