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“Proyecto de construcción de una batería de Hornos de Coque tipo Solera
para producir Coque de Fundición de bajo impacto ambiental en Industrial
Minera México, S.A. de C.V. Unidad Nueva Rosita Coah.”
Ing. José Luis Muñoz García
joseluis.munoz@mm.gmexico.com
XXXI CONVENCIÓN INTERNACIONAL DE MINERÍA ACAPULCO 2015
XXXI CONVENCIÓN INTERNACIONAL DE MINERÍA ACAPULCO 2015
INTRODUCCION.
El objetivo del presente proyecto es realizar el estudio técnico de los
elementos necesarios para diseñar, construir y poner en marcha una
Batería de 6 Hornos de Coque sin recuperación de Subproductos en la
Empresa Industrial Minera México, S.A. de C.V. Unidad Nueva Rosita
Coah. para producir Coque de Fundición utilizando carbón de bajo volátil
que por sus características no es posible utilizarlo al 100% en la batería
actual.
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Definición de Coque de Fundición.
El Coque de Fundición, es un producto carbonoso, poroso, formado por la
pirólisis de una mezcla de carbones, usado como combustible en Hornos de
Cubilote para la producción de Arrabio. Difiere del Coque Metalúrgico
utilizado en los Altos Hornos y en fundiciones de plomo y cobre en que es
más grande y más uniforme en tamaño, mostrando una alta resistencia y
baja tendencia a fragmentarse, tiene bajo contenido de cenizas y materias
volátiles (ver Tabla 1) y una reactividad controlada, estos factores afectan el
rendimiento metalúrgico del Cubilote y las características del Arrabio
producido.
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Tabla No.1 Características Físicas y químicas del Coque de Fundición.
ASPECTO
CRITERIO
TAMAÑO
TROZOS DE100A 300 mm
DENSIDAD
0.500 Kg/Dm3
MATERIA VOLATIL
CARBON FIJO
90 MINIMO
CENIZAS
8 MAXIMO
AZUFRE
0.8 MAXIMO
INDICE DE
SHATTER(MALLAS)
% ACUMULADO
4”
74-77
3”
92-95
2”
97-99
PODER CALORIFICO
4
2 MAXIMO
7250 Kcal/Kg
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Localización y Acceso.
La Unidad de Carbón y Coque de Nueva Rosita comenzó operaciones en
1924, se localiza en la Ciudad de Nueva Rosita Coah., dentro de la zona
conocida como Región Carbonífera de Coahuila a 120 kilómetros de la
frontera con Texas, E.U.A. y a 330 km. de Saltillo Coah. Comprende una
Planta Coquizadora con 21 Hornos de Coque capaces de producir 100,000
toneladas métricas de Coque Metalúrgico al año, con recuperación de
subproductos tales como Alquitrán, Aceite Ligero, Sulfato de Amonio y
Naftaleno, el mineral se extrae de tres minas a cielo abierto teniendo
también una planta de preparación de carbón.
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Diagrama de flujo del proceso de extracción, lavado y coquizado del carbón.
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De acuerdo con análisis efectuadas por IMMSA, el carbón de sus minas
corresponde a uno de bajo volátil (18% de materia volátil); en teoría este carbón
no debe coquizarse solo, ya que ejerce una presión mayor de 2 psi sobre las
paredes de los Hornos ocasionando un grave deterioro en dichas paredes, por
lo que se recomienda que a la Planta Coquizadora de Nueva Rosita se le
administre un carbón de 25% de materia volátil en promedio, debido al diseño
de la batería de hornos.
La mayoría de los Hornos están diseñados para soportar presiones laterales de
gas menores de 2.0 libras por pulgada cuadrada para asegurarse que los
hornos no sean dañados por presiones excesivas de gas.
El carbón que se utilizaba en la Planta Coquizadora de IMMSA era 100% del
Tajo 4, ubicado en la subcuenca de Sabinas en Nueva Rosita, Coah., el cual por
su rango corresponde a un carbón medio volátil (22-30% de materia volátil),
adecuado para coquizarse solo, sin presentar problemas.
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Actualmente, el Tajo 4 está en una etapa de cierre, teniendo una baja en la
producción de carbón: de 25,000 ton/mes que producía, actualmente
produce sólo 6,000 ton, insuficientes para abastecer a la Planta
Coquizadora de Nueva Rosita, ante el término de carbón del tajo 4, La
empresa concesiona los tajos La Conquista y La Lavadora, localizadas en
la Subcuenca de Las Esperanzas, cercano al poblado de donde toma el
nombre el elemento geológico, Las Esperanzas, Coah., siendo explotadas
también por el método de mina a cielo abierto.
Ante el cierre de proyectos como el Tajo 4 IMMSA busca innovar
metodologías y procesos tecnológicos aplicables al carbón mexicano de
bajo volátil los cuales son los que posee las áreas de La Conquista y La
Lavadora.
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Nuestra empresa ha participado en varios proyectos prototipos, para la
producción de Coque de Fundición, para las empresas nacionales tales
como CIFUNSA (Saltillo), TEKSID (Frontera–Monclova) y actualmente TUPY
(Saltillo), todas ellas se especializan en la producción de piezas fundidas de
hierro gris, bloques de cilindros y culatas para vehículos industriales. Tupy
por ejemplo requiere de 2000 a 4000 ton/mes de Coque de
Fundición. Actualmente se está viendo con ellos la posibilidad de
convertirnos en sus proveedores para sustituir importaciones de coque, si se
logra este objetivo nuestra empresa alcanzaría más sustentabilidad
económica.
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Antecedentes.
Los antecesores de los Hornos sin recuperación de Subproductos fueron los
Hornos de Colmena de los cuales el primero se construyó en 1820 en
Inglaterra. Los hornos eran redondos con un domo superior que contenía
una abertura por donde se cargaba el carbón. El horno tenía una puerta que
se sellaba y los gases se consumían dentro. Al final el Coque se retiraba con
rastrillos. Su rendimiento era entre 50-60%.
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En los E.U. el primer diseño de Hornos sin recuperación de
Subproductos fueron los Hornos Jewell Thompson construidos en los
1960 en Vansant, Virginia. Estos hornos estaban agrupados en 4
baterías de 143 hornos cada una y producían120,000 Tm de coque por
año. Su tecnología incluía el desarrollo de un diseño de fluses (cámara
de calentamiento) tipo serpentina y su operación era a presión negativa.
En 1989 se construyó una nueva batería de Hornos Jewell Thompson en
la misma planta de Vansant. Los nuevos hornos fueron diseñados para
operar dentro de las restricciones ambientales del Gobierno de E.U.A. de
1990 (Clean Air ActAmendment). Estos hornos producían el coque de
más alta calidad en E.U.A. en sus tiempos y todavía compiten con los
procesos convencionales.
a) Planta Coquizadora
Vansant en Virginia y b)
Planta Coquizadora de
Indiana Harbor en Gary IN
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a)
b)
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Actualmente, la tecnología para la construcción de las baterías de
hornos sin recuperaciòn es ofrecida por SunCoke (Estados Unidos),
Sesa Goa (India) y Uhde (Alemania). Algunas coquizadoras, basadas
en su experiencia, construyen sus hornos con ingeniería propia, como
por ejemplo Shanxi Sanjia (China).
En América Latina hay plantas de coque NR/HR en Brasil, Colombia y
en pequeña escala en Argentina. La capacidad instalada de Hornos de
éste tipo se estimaba en el año de 2005 en 22 Mt/año (Valia, et.al.,
2005).
En México desde inicios de los 1900 se construyeron en la Región
Carbonífera de Coahuila Hornos tipo Colmena, de los cuales todavía
sobreviven algunos en Barroterán Coah. de la Empresa MINSA.
Asimismo en Sabinas Coah.se construyó en 2010 un Horno tipo Solera
en la Empresa Kairos que produce actualmente unas 40 ton.
mensuales de Coque para Fundición. En 2014 comenzaron en
operación 12 hornos de la empresa Carbomet en Hermanas Coah.
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Proceso de coquización en Horno Solera
El Horno Solera es una cámara rectangular de 12.80 metros de largo, de
2.56 metros de ancho y de 1.50 metros de alto aproximadamente. El piso del
horno posee canales por donde pasan gases de coquización calientes. El
horno tiene dos paredes laterales que también poseen canales de
circulación de gases.
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El proceso de coquización es el siguiente:
Se carga el horno con 6 a 14 toneladas (dependiendo de la dimensiones
del horno). El carbón empieza a calentarse por efecto de la temperatura
del piso, de las paredes y de la bóveda, aproximadamente 450°C. Se
desprende la material volátil del carbón. Se quema la materia volátil en
presencia de oxígeno, aumenta la temperatura de la cámara.
Los gases calientes desprendidos por el carbón son alimentados a los
ductos de el piso del horno, aumentado el flujo de calor dentro del horno.
El proceso termina pasadas dentro de 24 a 48 hrs. Tiempo suficiente para
la formación del coque de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.
Se deshorna mecánicamente el horno con la ayuda de un empujador,
para después
volver a cargar carbón para la siguiente ronda de
coquización.
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Diferencias entre el Horno Convencional y el Horno sin recuperación
. de Subproductos.
En el proceso convencional, la mezcla de car-bones recibe el calor de
manera indirecta a través de las paredes del horno, por la combustión de
gases externos; dentro del horno hay presión positiva y los gases generados
por la coquización son envia-dos a la planta de subproductos. En las plantas
non-recovery, la coquización se produce desde arriba por calentamiento
directo de los volátiles que se queman parcialmente sobre la cama de
carbón y, desde abajo, por el calor proveniente de la combustión completa
de los gases de escape del horno que recorren la solera. En estas plantas
los gases de escape son tratados y enviados a la atmósfera, pu-diendo
previamente recuperar su calor para producir vapor y energía eléctrica.
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Los hornos tipo solera permiten producir un coque de alta calidad para los
diversos usos: siderurgia, fundición, producción de ferroaleaciones, etcétera.
Se pueden utilizar para obtener coques de alta calidad para la operación de
los altos hornos con bajo consumo específico de coque, cuyos requisitos de
calidad son más altos, o para obtener coque de calidad normal basados en
mezclas con alto porcentaje de carbones no coquizables como es el caso de
los carbones de Esperanzas Coahuila, que son carbones de bajo volátil los
cuales producen altas presiones de coquizado.
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Diferencias entre el proceso convencional, con
recuperación de Subproductos (Izquierda) y los Hornos tipo
Solera ( Derecha). Kochanski,2005.
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Aspectos ambientales.
Las diferencias sustanciales desde el punto de vista ambiental entre el
proce-so non-recovery y el convencional son en dos aspectos: la operación
de los hornos bajo presión negativa, que hace difícil que se produzcan
emisiones du-rante la coquización, y la inexistencia de la planta de
subproductos.
Emisiones de aire.
En las Coquizadoras hay emisiones al aire re-lacionadas con la
manipulación del car-bón, la carga del carbón en los hornos, las puertas de
los hornos, las chimeneas de proceso, el deshornado, el apaga-do y la
manipulación del coque.
En las plantas con recuperación de subproduc-tos se suman las emisiones
de la planta de subproductos. Las diferencias entre los procesos se reflejan
en primer lugar en la carga de carbón y en la operación de los hornos, el
tiempo de residencia de los gases en el horno, los factores de la alta
temperatura, la turbulen-cia y oxígeno suficiente para destruir los
contaminantes del aire peligrosos (HAP), conllevan a emisiones muy bajas.
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Emisiones al aire estándar anuales
para plantas non-recovery y
convencionales, que cargan 1 Mt/año.
Evaluaciones reali-zadas por la EPA en
Indiana Harbor Coke Company.
Emisiones anuales de
contaminantes peligrosos para
plantas non-recovery y
convencionales, que cargan 1
Mt/año.
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Efluentes líquidos y residuos sólidos
Las plantas non-recovery no generan efluentes líquidos; el agua de
enfriamien-to de equipos y de lavado se colecta y utiliza para el apagado del
coque. En las plantas convencionales se genera entre 0,4 y 0,5 m3/t coque,
debido a la planta de subproductos ( Allen, 2002).
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METODOLOGIA. (Descripción de ajustes y cambios para el horno de
Solera)
Se diseñó el presente proyecto de construcción de 6 Hornos para producir
coque tipo fundición considerando utilizar como soporte de los mismos, la
batería de 20 hornos WILPUTTE construida en el año 1936 y que está fuera
de operación por considerarse ya obsoleta pero es ideal por su ubicación.
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Para asegurar la viabilidad del proyecto, se tomaron medidas en
el sótano de la mencionada batería, y considerando las
distancias de centro a centro de las viguetas soporte para las
paredes de los Hornos de Subproductos, en tal forma se dejaría
un horno en cada extremo como pared piñón, utilizando tres
hornos de la batería con sus paredes intermedias para la
construcción de uno (tipo solera) .
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En esta manera se lograría una capacidad de carga en la forma siguiente por horno:
Volumen
=
Densidad de masa
=
Capacidad de carga
=
Rendimiento
=
Producción de coque
=
Velocidad de Carbonización =
Tiempo de Coquizado
=
29 m3
80 kg/m3
23Ton.
70 %
16 Ton.
2.67 cm/hr.
30hrs.
De tal manera que si se construyen los 6 hornos se tendría un
de 2304 ton. mt. de Coque de Fundición.
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producción mensual
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Para la construcción del horno es recomendable utilizar el piso del
horno WILPUTTE como parte inferior para localizar los fluses para el
calentamiento inferior con los gases producidos por el carbón al
coquizar.
Se construirá un nuevo piso a 0.80 m. de altura sobre el actual,
de esta forma se podrá utilizar el mismo sistema de empujado.
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En el techo del horno y arriba del arco deberá construirse una dala
de concreto armado para suplir la resistencia disminuida al eliminar
las paredes intermedias y quedar soportada por las nuevas paredes
con mayor separación.
Esta estructura soportará las vías de la máquina cargadora, en la
máquina empujadora es necesario efectuar los siguientes arreglos,
cambiar la posición de vertical a horizontal de la Terminal que se
pone en contacto con la carga del coque al momento de empujar y
que va soportado por el brazo de la empujadora, además de
ajustarlo a las nuevas dimensiones de contacto con el coque.
La operación de estos hornos en cuanto a la conversión es
independiente por lo tanto se puede construir uno por uno y
ponerlos en operación dado que la descarga de los gases ya está
construida.
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Costos del proyecto:
En la sig. Tabla
se mencionan los costos de Mano de Obra y
Materiales para la construcción del proyecto de un Horno tipo Solera.
Dichos costos son 3 veces menor de lo que costaría construir un
horno tipo convencional, además haciendo un análisis financiero de
costos de inversión, costos de producción y la proyección de ventas
nos arroja que en 1 año se recupera la inversión y nos dejará
posteriormente una utilidad neta de USD 50,000 por horno por mes.
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RESULTADOS.
Se logró construir el diseño de ésta batería de Hornos tipo Solera a
partir de una batería obsoleta, lo cual es la primera vez que se hace
cuando menos en México, actualmente se tiene un avance de un 50 %
en la construcción de un horno. Se retiró todo el ladrillo a partir del
piso del horno y se dejó listo para levantar los muros. Se hicieron
reparaciones a la máquina empujadora antigua, para acondicionarle la
barra de empujado de tipo horizontal y una barra niveladora. Para
cargar el horno se utilizará la máquina cargadora antigua.
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Para continuar con el proyecto se requiere contar con un financiamiento
interno o externo, lo cual se está gestionando al momento de hacer éste
trabajo, el financiamiento externo puede ser de Conacyt o en asociación con
la empresa Tupy la cual está muy interesada en desarrollarnos como
proveedores de coque para sus procesos de fundición de hierro gris.
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CONCLUSIONES.
•  Los hornos de coquización sin recupe-ración de subproductos y con
recupera-ción de calor se están desarrollando sig-nificativamente en países
como Estados Unidos, India, China, Brasil y Colombia, porque demandan
una menor inversión y son menos contaminantes, al operar en condiciones
de presión negativa.
•  A igualdad de materias primas, se pro-duce un coque de mejor calidad que
el obtenido en las baterías convencionales. Puede utilizarse una gama más
amplia de carbones, incluyendo los de bajos volátiles que en baterías
convencionales generarían empuje sobre las paredes, diversos carbones de
bajo poder de co-quización y otras materias primas carbo-nosas tales como
coque de petróleo, antracita, brea granulada, etc.
•  Es necesaria la caracterización de cada uno de los carbones para el
muestreo, preparación, análisis y llevar a cabo las mezclas de carbones y
las pruebas necesarias en los hornos experimentales propios. Actualmente
se tiene un avance de un 50 % en la construcción de un horno. Para
continuar con el proyecto se requiere contar con un financiamiento interno
o externo.
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• GRACIAS POR SU ATENCION.
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