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Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado”

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA INDUSTRA CEMENTERA

Integrantes: Ámbar Fernández Jesús Caruci Jesús Linares

Tratamiento de Aguas

Barquisimeto. Octubre de 2016


A lo largo de la historia el cemento ha sido uno de los principales materiales de construcción empleado por la humanidad, puesto que el cemento está formado, básicamente, por una mezcla de calizas, arcillas, los cuales se encuentran entre los minerales más abundantes de la naturaleza. Existen registros de que el pueblo egipcio ya utilizaba un mortero –mezcla de arena con materia cementosa- para unir bloques de piedra y levantar sus prodigiosas construcciones. La civilización romana utilizaba el hormigón en la construcción de grandes edificios, como el famoso coliseo en Roma y también en la red de agua potable y en la evacuación de aguas residuales. Los métodos para la elaboración del cemento han evolucionado con el paso de los siglos y su consumo ha aumentado conforme al crecimiento de la población mundial y con el desarrollo de los países

(obras de ingeniería civil, infraestructuras, etc.). Se puede pensar que, al menos a corto plazo, el cemento seguirá siendo el medio más económico de construcción, y su consumo no cesará de aumentar. No obstante, la explotación y transformación de este recurso debe hacerse de manera responsable, pues durante dichos procesos se generan contaminantes que muchas veces van a parar a ríos o lagos. Por tal motivo es necesario estudiar con detenimiento el proceso de elaboración, así como los puntos críticos en los cuales se generan contaminantes, cuáles son esos contaminantes, de qué manera alteran la calidad del agua y que tratamientos deben llevarse a cabo para disminuir los niveles de contaminación.


Fase 1: Procesos de la industria de elaboración del cemento

El cemento se fabrica generalmente a partir de materiales minerales calcáreos, tales como la caliza, la alúmina o la sílice, que se encuentran como arcilla en la naturaleza. En ocasiones es necesario agregar otros productos para mejorar la composición química, el más común es el óxido de hierro. El proceso de fabricación del cemento comprende las siguientes etapas principales:

Obtención de materias primas El proceso de la fabricación del cemento empieza con la explotación o voladura de la montaña de calizo (cantera), la cual se lleva a cabo una vez que se realizan los estudios geológicos

correspondientes. El material resultante de la voladura es transportado en camiones para iniciar el proceso de trituración. La trituración de la roca, se realiza en dos etapas, inicialmente se procesa en una trituradora primaria, que puede reducirla de un tamaño máximo de 1.5 m hasta los 25 cm. El material se deposita en un parque de almacenamiento. Luego de verificar su composición química, pasa a la trituración secundaria, reduciéndose su tamaño a 2 mm aproximadamente. El material triturado se lleva a la planta por cintas transportadoras. La piedra ya de 2mm es clasificada por sus propiedades químicas, después almacenado en forma de pila, que se extrae por medio de vibración cae a la banda transportadora y llevada al proceso de molienda.


Molienda y cocción de materias primas Esta etapa comprende la molienda de materias primas (molienda de crudo), por molinos de bolas, por prensas de rodillos o a fuerza de compresión elevadas, que producen un material de gran finura. Con la molienda se logra reducir el tamaño de las partículas de materias para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada. El molino muele y pulveriza los materiales hasta un tamaño medio de 0.05mm. El horno debe recibir una alimentación químicamente homogénea. Esto se consigue mediante el control de la correcta dosificación de los materiales que forman la alimentación al molino de crudo. Además de la homogeneidad química, es fundamental la finura y granulométrica del crudo.

Procesos de fabricación del clínker El clinker es un producto intermedio en el proceso de elaboración de cemento. Una fuente de cal como las calizas, una fuente de sílice y alúmina como las arcillas y una fuente de óxido de hierro se mezclan apropiadamente, se muele finamente y se calcinan en un horno, obteniéndose el denominado clinker de cemento Pórtland. El horno es el elemento fundamental para la fabricación del cemento. Está constituido por un tubo cilíndrico de acero con longitudes de 40 a 60 m y con diámetros de 3 a 6 m, que es revestido interiormente con materiales refractarios, en el horno para la producción del cemento

se producen temperaturas de 1.500ºC a 1.600°C, dado que las reacciones de clinkerización se encuentra alrededor de 1.450°C. El clinker que egresa al horno de una temperatura de 1.200 °C pasa luego a un proceso de enfriamiento rápido por enfriadores de parrilla. Seguidamente por transportadores metálicos es llevado a una cancha de almacenamiento. En función de cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno de clínker, se distinguen cuatro tipos de procesos de fabricación: vía seca, vía semiseca, vía semi-húmeda y vía húmeda. La tecnología que se aplica depende fundamentalmente del origen de las materias primas. a. Proceso de vía seca: El proceso de vía seca es el más económico, en términos de consumo energético, y es el más común. La materia prima es introducida en el horno en forma seca y pulverulenta. El sistema del horno comprende una torre de ciclones para intercambio de calor en la que se precalienta el material en contacto con los gases provenientes del horno.


b. Procesos de vía semi-seca y semi-húmeda: El material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo. Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado. En todos los casos, el material procesado en el horno rotatorio alcanza una temperatura entorno a los 1.450ºC. Es enfriado bruscamente al abandonar el horno en enfriadores planetarios o de parrillas obteniéndose de esta forma el clínker. c. Proceso de vía húmeda: Este proceso es utilizado normalmente para materias primas de alto contenido en humedad. El material de alimentación se prepara mediante molienda conjunta del mismo con agua, resultando una pasta con contenido de agua de un 30-40 % que es

alimentada en el extremo más elevado del horno de clínker. Si la arcilla es bastante húmeda y tiene la propiedad de desleírse en el agua, debe ser sometida a la acción de mezcladores para formar la lechada; esto se efectúa en un molino de lavado, el cual es un pozo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerados de materias sólidas. Molienda de Cemento El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso y otros materiales denominados "adiciones". En función de la composición, la resistencia y otras características adicionales, el cemento es clasificado en distintos tipos y clases. La molienda de cemento se realiza en equipos mecánicos (presa de rodillos o rodillos de bolas) en los que la mezcla de materiales es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas. Una vez el cemento es molido, se almacena en silos para ser ensacado o cargado a granel.


Proceso de fabricación del cemento: Diagrama de Flujo Caliza

1

1

Explotación de la cantera

Transporte hasta área de trituración

2

Trituración primaria

1

Verificación de composición

3

2

4

Trituración secundaria

Transporte hasta área de molienda de MP

Molienda de MP

Agua

1

Horneado y verificación de la temperatura

Carbonato de calcio, yeso, nitrato, magnesio, sulfato, metales pesados.

Yeso y "adiciones"

5

Carbonato de calcio ((solido

Molienda del cemento

Sacos

6

Ensacado

1

Almacenado de PT

Nota: Se señalan algunos de los contaminantes del agua que actúan en los respectivos procesos, es importante destacar que una vez terminado el proceso, interviene el lavado de equipo donde también se generan contaminantes como grasas y aceites, sólidos totales, restos de jabón.


Puntos críticos del proceso donde se genera contaminación del agua Las fábricas de cemento son grandes consumidores de agua. En las plantas que aplican el proceso de vía seca se alimentan al horno las materias primas secas, el único efluente es el agua utilizada para el enfriamiento, se necesitan aproximadamente 0,6 m³ de agua por tonelada de cemento para la refrigeración de las máquinas, sin embargo ésta puede ser eliminada con torres de enfriamiento o piscinas. La mayor parte de esta agua se encuentra en circulación, por lo que sólo hay que reponer las pérdidas. En las instalaciones que trabajan con el método seco también se consume agua para la refrigeración de los gases de escape de los hornos, pudiéndose calcular un consumo neto aproximado de 0,4 a 0,6m³ de agua por tonelada de cemento. Por su parte, en las instalaciones que trabajan con el método de vía húmeda, se alimentan las materias primas al horno en forma de una lechada. En algunos casos, las plantas pueden lixiviar el polvo del horno que se ha recolectado, a fin de eliminar el álcali soluble antes de volver a alimentarlo

al horno. En estas plantas, el rebosamiento del clarificador del proceso de lixiviación constituye la fuente más severa de contaminación hídrica; requiere neutralización antes de descargarlo, se necesita aproximadamente 1 m³ de agua adicional por tonelada de cemento para la molienda del lodo en comparación con el método “seco”. Cabe destacar que el escurrimiento y el líquido lixiviado de las áreas de almacenamiento de los materiales y de eliminación de los desechos puede ser una fuente de contaminantes para las aguas superficiales y freáticas. Además de los puntos críticos mencionados anteriormente, se debe tomar en cuenta también el agua utilizada durante el lavado de las instalaciones y de los equipos.


Fase 2: Identificación de parámetros de calidad.

Las aguas residuales generadas durante el proceso de elaboración de cemento pueden presentar una elevada cantidad de sólidos disueltos, además de sólidos suspendidos como carbonato de calcio. Esta situación se presenta tanto en los procesos de transformación a productos como en malas condiciones de almacenamiento del cemento. Además, el efluente líquido proveniente de la mantención y limpieza de las plantas y camiones, puede aportar grasas y aceites de las distintas maquinarias y vehículos. Entre los parámetros físicos afectados tras el proceso de molienda, se pueden destacar la variación de la turbidez del agua debido a la gran cantidad de

sólidos disueltos, principalmente el carbonato de calcio (CaCO3) los cuales reducen la transparencia del agua en gran medida. De igual manera el color del agua se ve afectado, adquiriendo generalmente un tono grisáceo. Es importante mencionar que las aguas residuales de la industria del cemento, se generan principalmente durante proceso de horneado, si este se lleva a cabo por vía húmeda o semi-humeda. Las aguas residuales de este proceso contienen un gran número de sustancias químicas, como nitrato, magnesio, sulfato, incluso metales pesados, sin embargo las concentraciones de éstos no representan una amenaza para la calidad de los cuerpos de agua, pues muchas veces su concentración no sobrepasan los estándares establecidos. En el caso del carbonato de calcio (CaCO3), si su concentración es muy altas puede alterar algunos parámetros químicos, como la dureza total del agua y el pH, provocando que el agua se vuelva ligeramente básica (pH puede variar entre 8.05 y 8.5).


Análisis de aguas residuales de una planta de Cemento. PARAMETROS/MUESTRAS

PROCESO*10-5

Alcalinidad total, (Ton CaCO3/Ton Clinker) Dureza total, (Ton CaCO3/Ton Clinker) Sólidos totales, (Ton/ Ton Clinker) Sólidos suspendidos, (Ton/ Ton Clinker) Sulfatos, (Ton SO4=/ Ton clinker) pH Calcio, (Ton Ca/ Ton Clinker) Magnesio, (Ton Mg/ Ton clinker)

4.38 4.28 18.28 9.829 2.55 8.3 1.275 0.267

Tabla resumen de contaminante y parámetros según el proceso

PARÁMETROS Sólidos disueltos y suspendidos, turbidez, color. Dureza total, PH. Grasas y aceites, turbidez, sólidos totales.

CONTAMINANTE

PROCESO

Carbonato de calcio

Molienda de MP

Carbonato de calcio, yeso, nitrato, magnesio, sulfato, metales pesados. Restos de jabón, grasas y aceites.

Horneado Lavado de equipos y camiones.


Fase 3: Diseño de planta de tratamiento de aguas residuales

El agua es imprescindible en diversas etapas de la elaboración del cemento, sin embargo las aguas de vertido del proceso de elaboración del cemento tienen una incidencia poco significativa en su entorno, si bien siempre se debe tener en cuenta que la calidad de los efluentes deberán ser compatibles con la calidad del cuerpo de agua receptor. Esto requisitos de calidad se encuentran presentes en las forma de normas y legislaciones (Normas COVENIN, gacetas). Sin embargo es importante tomar en cuenta que los requisitos de calidad de efluentes industriales sean el resultado de un programa de control de contaminación racional y no simplemente una adopción de normas. Las aguas derivadas de esta actividad son de tres tipos: aguas residuales sanitarias, que están constituidas por aguas provenientes de los baños, aguas de limpieza de las instalaciones y servicios auxiliares (laboratorio); aguas provenientes del proceso productivo, en su mayoría de la refrigeración generadas en las purgas del sistema de circuito cerrado (que pueden incluir aguas de regeneración de los

equipos); y las aguas pluviales, que son recogidas con una red de colectores independientes. Las aguas generadas por el proceso de fabricación, que no son evaporadas en el horno, se recirculan al proceso. El agua de filtrado procedente del proceso semi-húmedo se descartan. Estos efluentes pueden presentar una elevada cantidad de sólidos disueltos (hidróxido de sodio y potasio) y suspendidos (carbonato de calcio), alta alcalinidad, posibilidad de autofraguado, y calor residual. Esta situación se presenta tanto en los procesos de transformación a productos como en malas condiciones de almacenamiento del cemento. Además, el efluente líquido proveniente de la mantención y limpieza de las plantas y camiones, puede aportar grasas y aceites de las distintas maquinarias y vehículos. Potencialmente, si las aguas arrastran libremente estos materiales o los residuos, sin un tratamiento adecuado podrían contaminar los cuerpos aguas superficiales o subterráneas. Por tal razón, las plantas del rubro del cemento deben contar con Estaciones


Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) que se

Las aguas residuales de la industria cementera pueden contener una gran cantidad de sólidos muy finos, como arenas y gravas, que por su tamaño, es imposible remover durante el desbaste. Para la eliminación de estos sólidos se hace circular el agua por unas cámaras, denominadas desarenadores, a una velocidad controlada para provocar la sedimentación en el fondo. Una vez sedimentados, son removidos. 3. Eliminación de aceites y grasas (Desengrasado):

encarguen recogen el agua residual y, después de una serie de procesos físicos, químicos y biológicos la devuelven a un cauce receptor. Las etapas necesarias para purificar las aguas residuales de este rubro son: 1. Remoción de sólidos gruesos (Desbaste) La primera fase del pre-tratamiento de las aguas residuales es el de la eliminación elementos de gruesos y alta densidad arrastrados por el caudal, como rocas de gran tamaño y otros objetos voluminosos. El proceso utilizados es el de desbaste o retención, en el cual, el agua proveniente del proceso se hace pasar el agua a través de unas rejas de diferentes tamaños de malla para retener y posteriormente desechar los materiales que queden atrapados en las rejas.

2. Remoción de sólidos fino (Desarenado):

Durante el proceso de lavado de los equipos y de las unidades de transporte de material, pueden aparecer grasas, aceites y otros materiales flotantes como pelos o fibras, que pueden causar obstrucciones en las tuberías. Para elim inar estos se utilizan trampas de grasa. Estos dispositivos aprovechan la diferencia de densidad de los materiales grasosos, los cuales flotan sobre la superficie del agua donde es más sencilla su eliminación.

4. Homogenización: El agua procedente del pre-tratamiento pasa a un tanque de homogeneización cuya función es doble. Como su nombre indica, su propósito es homogeneizar toda el agua para que tenga características similares; de esta forma, el efecto perjudicial de algún posible vertido contaminante es minimizado. Por otro lado, el tanque cumple la función reguladora de caudal, proporcionando un caudal constante las 24 horas del día.


5. Neutralización: Una vez que se ha logrado obtener un caudal constante y homogéneo, se lleva a cabo el proceso de neutralización del pH del efluente, esto se hace a través de reacciones químicas controladas. En el caso de las aguas residuales del cemento, el alto contenido de carbonato de calcio CaCO3 incrementa el pH, por lo que se deben utilizar agentes que regulen la alcalinidad. Los más utilizados en estos casos, debido a su costo y su fácil manipulación, son el ácido sulfúrico (H2SO4) y el ácido clorhídrico (HCL). La neutralización se realiza en tanques resistentes a la corrosión, generalmente de piedra caliza, donde se añaden los agentes neutralizantes al fluido mientras es sometido a una agitación intensa para facilitar la reacción química. La reacción de neutralización debe controlarse de forma estricta con dosificadores de reactivo, activados mediante sensores para el control de pH y caudal de entrada. 6. Eliminación de sólidos El siguiente paso es eliminar los sólidos que se encuentran disueltos o suspendidos en el agua residual, principalmente carbonatos y nitratos. Estos minerales crean incrustaciones en las tuberías o en el lecho de los cuerpos de agua. La eliminación de estos sólidos se puede realizar mediante coagulación-floculantes. Los coagulantes metálicos, sales de Hierro y Aluminio, han sido los más utilizados en la clarificación de aguas, debido a que Tienen la ventaja de actuar como coagulantes-floculantes al mismo tiempo. Los coágulos formados se precipitan al fondo del tanque o recipiente donde pueden ser removidos con facilidad.

7. Reciclado o reutilización del agua tratada. Para eliminar cualquier otro agente contaminante y aumentar la calidad del agua se pueden realizar procesos adicionales como, lámparas ultravioletas y cloración. Sin embargo, la poca presencia de agentes biológicos en este tipo de industria, hace que estos procesos se vuelvan innecesarios. Además la mayor parte del agua tratada es reutilizada en el proceso productivo, principalmente en la refrigeración de hornos y calderas; o el lavado de equipos y camiones. De este modo se garantiza un ahorro significativo del preciado líquido y se evita la contaminación del medio receptor.

Tratamiento de Aguas Residuales Cemento  
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