Ángel Cachán Santos |
Ingeniero Industrial. Director del Medio Ambiente del Grupo Hornos Ibéricos Alba (HISALBA) |
ASPECTOS GENERALES
El cemento, aglomerante hidráulico, es un material inorgánico, no metálico, finamente molido. Mezclado con agua forma una pasta que fragua y endurece, manteniendo su resistencia y estabilidad incluso dentro del agua. Las sustancias componentes del cemento reaccionan con el agua de la mezcla, formando silicatos de calcio hidratados.
El cemento, material básico para la construcción, ha jugado un papel clave en la historia de la civilización, y su uso puede constatarse desde la antigüedad. El denominado cemento Portland fue patentado en 1824, y desde finales del siglo XIX el hormigón, producto basado en el cemento Portland, se ha convertido en uno de los materiales de construcción más apreciados.
El hormigón es un material esencial para la construcción de viviendas, hospitales, escuelas, carreteras, puentes, puertos, etc. El uso del cemento ha contribuido al bienestar de la sociedad y al crecimiento económico por generaciones.
La producción de cemento es la mayor de los productos ("commodities") minerales industriales, superando los 1.400 Millones de toneladas anuales. La producción de la U.E. alcanza los 170 Millones de t/año., con una participación española que se sitúa, hoy, en 25-30 Millones de t/año, siendo el tercer país productor dentro de ella.
El consumo medio por habitante en Europa es de 450 Kg/a. aunque con un amplio rango entre países. Comparemos, como contraste, los 250 Kg/hab. y año del Reino Unido con los casi 650 Kg. de España, lo que habla de lo "hecho" que está uno u otro país.
Las Tabla 1 y Fig. 1 reflejan la distribución geográfica y evolución de la producción mundial. Europa es un área de consumo de cemento en recesión (ha disminuido un 14% desde 1990); la U.E. representa hoy un 12% de la producción mundial, mientras que a principio de los 70 significaba el 30%. Aun dentro de la U.E., las perspectivas de consumo de España -y de Andalucía- deben ser de moderado crecimiento dado el diferencial existente en equipamiento estructural de nuestro país respecto a nuestros colegas europeos más desarrollados.
La producción de cemento de Andalucía se realiza en 8 fábricas integrales. Todas las provincias de la comunidad tienen fábrica de cemento, a excepción de Granada. En la provincia de Almería existen dos, en Carboneras y Gádor, pertenecientes al Grupo HISALBA (Hornos Ibéricos Alba, S.A.), en el que también se integran las de Jerez de la Frontera (Cádiz) y Torredonjimeno (Jaén), haciendo de HISALBA el primer productor andaluz por capacidad y ventas. El consumo de cemento en Andalucía se sitúa en alrededor de 5 Millones de toneladas anuales, siendo la primera comunidad productora y consumidora española, por encima de la media nacional. (Tabla 2)
La industria de cemento es intensiva en energía. El energético es el principal factor de coste, significando 30-40% del coste total de producción. Por ello, el sector ha dedicado un gran esfuerzo permanente a la mejora de su eficiencia energética. Buena prueba de ello es que el consumo específico de energía para la producción de clinker ha sido reducido del orden del 30% desde los años 70 a nivel europeo.
Las emisiones del horno de cemento provienen, primariamente, de las reacciones físicas y químicas de las materias primas y, secundariamente, de la combustión de los combustibles. Los principales componentes de los gases de emisión del horno son el nitrógeno del aire de combustión, CO2 procedente de la calcinación del CO3Ca y de los combustibles quemados, agua del proceso de combustión y de las materias primas, y el oxigeno en exceso.
Los gases de combustión contienen también pequeñas cantidades (menos de 1%) de partículas, óxidos de azufre y de nitrógeno, y otros compuestos; la contribución de las emisiones de la producción de cemento al inventario de las totales de los países industrializados es muy baja. (Tabla 3)
También la industria de cemento es intensiva en capital: el coste de las plantas de cemento está usualmente en el orden de 25.000 Millones de Pesetas por millón de toneladas de capacidad anual. El coste de una fábrica nueva equivale a los ingresos por ventas de 3 años, lo que sitúa a la industria de cemento entre las más intensivas en capital, exigiendo largos períodos para la recuperación de las inversiones y una cuidadosa planificación de las modificaciones de las plantas, de acuerdo a la naturaleza de largo plazo de esta industria (que, afortunadamente, tiene muy bajo ratio de obsolescencia).
El cemento es un producto ("commodity") de precio unitario bajo, que no admite grandes costes de transporte y por ello compite en mercados locales. No obstante, existen flujos de importaciones-exportaciones, que aun no siendo importantes a nivel global (los flujos internacionales apenas significan el 6-7% de la producción mundial) sí pueden distorsionar ciertos mercados locales de destino. Es el caso de Andalucía, en que a la situación excedentaria de la producción autonómica se ha unido la presencia de cementos de importación, que han llegado a ocupar un importante porcentaje del mercado andaluz (más del 25%) y significan un riesgo para la continuidad de esta industria local.
PROCESO Y TÉCNICAS EN LA PRODUCCIÓN DE CEMENTO
Coexisten hoy cuatro procesos de producción de cemento: de vía seca, semiseca, semihúmeda y húmeda.
La elección de una u otra vía está condicionada esencialmente por el contenido de agua de las materias primas disponibles.
El proceso de vía seca es el más económico, en términos de consumo energético, y es el más común (en Europa, más del 75%; en España, casi el 100%).
Todos los procesos tienen los siguientes sub-procesos en común:
Extracción de las materias primas en canteras.
Preparación de las materias primas.
Preparación de los combustibles.
Proceso de combustión/clinkerización.
Molienda de cemento.
Ensacado y expedición.
La figura 2 muestra el diagrama de flujos de un proceso de vía seca, con sistema horno-intercambiador (y precalcinador). Por ser el tipo de proceso más común, como se ha dicho, y por ser el de las dos cementeras de Almería en particular, vamos a referirnos esencialmente a él en este trabajo.
Extracción de las materias primas
Las materias primas esenciales -caliza, margas y arcilla- son extraídas de canteras, en general próximas a la planta. Deben proporcionar los elementos esenciales en el proceso de fabricación de cemento: calcio, silicio, aluminio y hierro.
Muy habitualmente debe apelarse a otras materias primas secundarias, bien naturales (bauxita, mineral de hierro) o subproductos y residuos de otros procesos (cenizas de central térmica, escorias de siderurgia, arenas de fundición, ...) como aportadoras de dichos elementos. Las materias primas naturales son sometidas a una primera trituración, bien en cantera o a su llegada a fábrica.
Preparación de las materias primas
La preparación de las materias primas es fundamental para la fase posterior de combustión, tanto en la correcta dosificación química como en la suficiente finura del material de alimentación al horno.
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. Si se parte de materiales variables en calidad, previamente se consigue su prehomogeneización en una instalación "ad-hoc". Después del molino, el crudo sufre aún un proceso de homogeneización final, que asegura una mezcla homogénea con la composición química requerida.
Además de la homogeneidad química, es fundamental la finura y la curva granulométrica del crudo, lo que se consigue mediante el ajuste del separador que clasifica el producto que sale del molino, reintroduciéndose la fase no suficientemente molida (circuito cerrado).
La producción de cemento es un proceso de grandes volúmenes. Las necesidades de materias primas por tonelada de clinker suben típicamente a 1,6 t. La manutención de materiales en estas fases es importante, predominando los sistemas de transporte mecánicos sobre los neumáticos. Aquéllos son de mayor inversión pero menores costes operativos.
Preparación de los combustibles
Los diferentes tipos de combustibles convencionales o fósiles usados en la industria cementera, en orden decreciente de importancia, son: coque de petróleo, carbón, fuel-oil y gas natural. Por razones normalmente de coste, la utilización de los dos últimos es muy escasa.
Las altas temperaturas y largos tiempos de residencia inherentes al proceso cementero suponen un alto potencial para la destrucción de compuestos orgánicos, lo que posibilita la utilización de una amplia variedad de combustibles, subproductos de otros procesos industriales o derivados de residuos, tanto líquidos (aceites usados, solventes, residuos de destilación, etc. ...) como sólidos (neumáticos usados, residuos de madera, papel, cartón, caucho, plástico, ..., lodos urbanos e industriales, etc. ...). Hablaremos más extensamente de este aspecto de los combustibles alternativos, o materiales secundarios en general.
La combustión en los hornos de cemento se realiza con exceso de oxígeno que, no obstante, debe limitarse para no penalizar en exceso la eficiencia energética; condicionada, además, a la uniformidad/regularidad del combustible, y a su adecuado acondicionamiento (pulverización) para facilitar una fácil y completa combustión.
El acondicionamiento y preparación de los combustibles obedecen a sus características físicas, químicas, toxicológicas o de peligrosidad, seguridad, etc. ... Los combustibles líquidos no requieren normalmente acondicionamiento, mientras que los sólidos suelen exigir una costosa preparación (trituración, molienda y secado). En todos los casos, los sistemas de preparación, almacenamiento y combustión de los combustibles deben ser diseñados y operados con un alto nivel de seguridad frente a incendio o explosión.
Combustión del clinker
En esta fase del proceso -la más importante en términos de calidad del producto, potencial de emisiones, y coste-, las materias primas se alimentan al horno donde son secadas, precalentadas, calcinadas y sinterizadas para producir clinker de cemento, inmediatamente enfriado con aire, y almacenado.
En el proceso de clinkerización, la carga del horno debe alcanzar temperaturas de 1.400 ÷ 1.500º.C, con temperatura punta de los gases de 2.000ª.C El proceso debe realizarse bajo condiciones oxidantes, por ello se requiere un exceso de aire en la zona de sinterización; estas condiciones son esenciales para la formación de las fases del clinker y la calidad del cemento final.
Desde la introducción del horno rotativo, en 1895, éste se ha convertido en el corazón de las modernas instalaciones de producción de cemento. Los primeros hornos rotativos fueron largos (valores L/D de hasta 35 ÷ 40), hasta llegar a los modernos (de valores L/D ³ 10).
La inclinación del tubo (2,5 a 4,5%), junto a la velocidad de rotación del horno (0,5 a 4 r.p.m.) posibilita un lento transporte del material. Debido a las altas temperaturas del proceso, el tubo de acero está protegido en todo su interior con ladrillos refractarios.
Los combustibles pueden ser introducidos por uno o varios de los siguientes puntos:
vía quemador/es principal/es, en la zona de salida del horno
vía cámara de transición intercambiador-horno (tubo de caída para material no pulverizado, o quemador secundario para combustible pulverizado)
vía precalcinador (tubo de caída para combustible no pulverizado, o quemador para los pulverizados)
vía sistema "mid-kiln" para hornos largos.
El combustible introducido por el quemador principal origina una llama que alcanza temperaturas del orden de 2.000º.C.
Vía seca, sistema horno-intercambiador.
Es la tecnología de las dos cementeras almerienses, por lo que haremos una breve descripción.
El intercambiador de suspensión se introdujo hacia 1930, significando un avance importante en el proceso.
Los sistemas más usuales tienen entre cuatro (caso de Carboneras y Gádor) y seis etapas de ciclones, emplazados uno sobre otro en una torre de 50 a 70 m. de altura.
El material crudo finamente molido y homogeneizado -la harina- se introduce por la etapa superior (normalmente, dos ciclones paralelos para una más eficiente separación del polvo), descendiendo hacia los ciclones inferiores en contracorriente con los gases calientes de la combustión. Este contacto en suspensión de la harina en los gases provoca un eficiente intercambio de calor, posibilitando que la harina entre al horno rotativo parcialmente calcinada (a unos 1.000º.C), mientras que los gases salen del inercambiador a una temperatura de unos 400º.C, aportando parte de este calor residual al secado de las materias primas en su paso por el molino de crudo.
La corriente de gases de la combustión pasa -después del intercambiador- por el molino de crudo (operación combinada) o no (operación directa, en cuyo caso son enfriados con agua en una torre de acondicionamiento), y van finalmente al equipo de depuración, bien un precipitador electrostático (caso almeriense) o un filtro de mangas.
El polvo recogido en el electrofiltro o en el filtro de mangas es habitualmente reintroducido en el proceso, bien con las materias primas, vía quemador con el combustible, o añadido al molino de cemento, en función de cada proceso.
El control del nivel del CO en los gases de combustión es crítico cuando se usa un precipitador electrostático como sistema de desempolvado. Es fundamental asegurarse que dicho nivel esté por debajo del de explosión (típicamente, 12% en volumen). Los electrofiltros están dotados de un sistema de corte de tensión automático que actúa para prevenir esa situación con el decalaje suficiente.
Enfriadores de clinker
El clinker, a la salida del horno, debe ser enfriado de modo rápido y eficiente, tanto para fijar sus características mineralógicas, como para acondicionarlo para su manejo en las fases y equipos siguientes. Su alta temperatura, extrema abrasividad y diversa granulometría no hacen esta operación fácil.
El rápido enfriamiento del clinker con aire, en enfriadores de parrilla (Gádor), o planetario (Carboneras), proporciona el aire caliente -aire secundario- para la combustión, mejorando el rendimiento energético del piroproceso.
Molienda de cemento
Desde el almacén de clinker (nave, silo, domo, ...), éste es alimentado al molino de cemento junto con las adiciones minerales (yeso como retardador del fraguado; diversas adiciones minerales -puzolanas naturales o artificiales, escorias, cenizas volantes, fillers, etc.- para la fabricación de los cementos compuestos) para producir los diversos tipos de cemento portland normalizados.
Coexisten diversas tecnologías de molienda, predominando los molinos tubulares de bolas, funcionando en circuito cerrado con separadores de polvo.
El cemento portland molido es almacenado en silos, desde los que es expedido a granel -camiones cisternas-, o envasado, para sus diversos usos.
ANÁLISIS DE LOS EFECTOS MEDIOAMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN DE CEMENTO
Los principales efectos están ligados al consumo de energía y las emisiones.
Consumo de energía
La principal exigencia energética en la producción de cementos es el combustible para el horno. Los mayores equipos consumidores de energía eléctrica son los molinos (de materias primas, cemento y combustibles sólidos) y los grandes ventiladores/exhaustores (horno/molino de crudo y molinos de cemento).
El consumo total de energía se mueve en los rangos 3.200 a 5.500 MJ/t de clinker y 90 a 130 Kwh/t de cemento, según el tipo de proceso, equipamiento y calidad de gestión operativa de la fábrica.
Dada la importancia que en el coste de producción tiene el factor energético, la industria cementera se ha venido esforzando en la mejora de la eficiencia energética, y lo sigue haciendo.
IDAE, en un estudio reciente, situaba al sector cementero español entre los tres más eficientes de Europa en consumo energético. Un estudio de la Comisión Europea de 1993 concluía que el potencial de ahorro energético de la industria cementera europea podía cifrarse en sólo 2,2%, lo que habla claramente de su eficiencia.
Emisiones
Emisiones, general
La Directiva IPPC de la UE, aprobada a finales de 1996, incluye una lista indicativa de las principales sustancias contaminantes de la atmósfera, y que deben ser consideradas para fijar los valores límites de emisión.
Los principales contaminantes atmosféricos en la producción de clinker incluidos en dicha lista son:
Óxidos de nitrógeno y otros compuestos nitrogenados (NOx)
Dióxido de azufre y otros compuestos sulfurosos (SO2)
Partículas
La práctica en las cementeras, la literatura técnica y las reglamentaciones, se focalizan en general en estos tres contaminantes.
La lista también menciona, aunque considerándolos de menor importancia en la fabricación de clinker-cemento: compuestos orgánicos volátiles, metales y sus compuestos, y PCDD/F (dioxinas y furanos).
Aunque no lo menciona, debe ser considerada como relevante la emisión de dióxido de carbono (CO2). Aun no siendo tóxico, su condición de gas de efecto invernadero hace que cobre gran importancia su reducción y control.
Finalmente, otras emisiones, no relevantes usualmente, son ruidos, olores y residuos.
Emisiones del sistema HORNO, combustión del clinker
Estas emisiones atmosféricas constituyen el impacto medioambiental primordial en la fabricación de cemento, como ya se ha dicho.
Las emisiones representativas de los hornos europeos se reflejan en la Tabla 4.
En todos los sistemas de horno cementero el material alimentado se mueve en contracorriente con el flujo de aire caliente de los gases de combustión, en íntimo contacto; las altas temperaturas y la reactividad del óxido de calcio promueven un medio excelente para retener los constituyentes peligrosos de los gases, propiciando un proceso inherente de limpieza de los mismos.
Óxidos de nitrógeno y otros compuestos nitrogenados.
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son los principales componentes de los gases emitidos, siendo dominantes el NO (> 90%) y el NO2 (< 10%).
Dos son las principales fuentes de producción de NOx: el térmico derivado de la oxidación del nitrógeno del aire de combustión, y el derivado de la oxidación del nitrógeno presente en el combustible.
La formación de NOx es una inevitable consecuencia de la alta temperatura de combustión (llama del orden de 2.000ºC.)
Dióxido de azufre y otros compuestos sulfurosos (SOx)
El azufre entra en el proceso como componente de los combustibles y de las materias primas (en este caso, como sulfatos o sulfuros).
El azufre que entra como sulfuro en las materias primas es parcialmente evaporado ( ~ 30%) en las primeras etapas del proceso, y emitido directamente a la atmósfera en su mayor parte.
El resto del azufre que entra por las materias primas y el total aportado por los combustibles será capturado totalmente en el clinker y no aparecerá en las emisiones.
En general, los hornos de vía seca con intercambiador, trabajando con materias primas no altas en azufre, no tendrán problema significativo de emisiones de SOx.
Dióxido de carbono (CO2).
La emisión de CO2 se sitúa entre 800 y 900 Kg/t de clinker. Casi un 60% de esta emisión proviene del proceso de calcinación (CO3 Ca ® CaO + CO2), y es por tanto inevitable. El resto, deriva de la combustión de los combustibles, usualmente fósiles.
El incentivo económico de la optimización energética es importante para la industria cementera, sea consumo térmico o eléctrico, y es una preocupación permanente.
Los cambios de tecnología, la mejora de la eficiencia de los procesos de combustión, la promoción de cementos compuestos (menos producción de clinker) y los cambios en los combustibles (hoy, las cementeras de la UE economizan 2,5 MILL. de t/a. de combustibles fósiles, sustituyéndolos por residuos), han reducido más del 30% el consumo térmico específico de la producción de la tonelada de clinker y las emisiones asociadas de CO2 en los últimos 25 años, dejando relativo poco margen para futuras grandes mejoras.
Compuestos orgánicos volátiles (COVs).
Las emisiones de compuestos orgánicos pueden ocurrir en las primeras etapas del proceso, al volatizarse la materia orgánica presente en las materias primas al entrar en contacto con los gases calientes.
Dependiendo de los depósitos de materias primas podemos incorporar al proceso entre 1,5 y 6g. de carbón orgánico/Kg. clinker. Diversos ensayos realizados con materias primas de distintos orígenes han mostrado que 85-95% de los compuestos orgánicos se convierten en CO2 en presencia de 3% de oxígeno, y al mismo tiempo 5-15% pasa a CO.
Los contenidos de COT en las emisiones gaseosas pueden variar entre 10 y 100 mg/Nm3, y la concentración de CO puede subir a 1.000 mg/m3, o más (ver Tabla 4).
En cemento, estas emisiones no son indicadoras de combustión incompleta (dada la muy alta temperatura, largos tiempos de residencia y condiciones de exceso de oxígeno del proceso). Los ensayos -amplísimos- realizados para usar materiales o combustibles alternativos han evidenciado bajos niveles de emisión de todos los compuestos orgánicos, y eficiencias de destrucción mayores de 99,99%.
Metales y compuestos metálicos.
Las materias primas y los combustibles contienen, siempre, metales en concentraciones ampliamente variables.
Los compuestos metálicos se dividen en tres categorías, en función de su volatilidad:
1. No volátiles: Ba, Be, Cr, As, Ni, V, Al, Ti, Ca, Fe, Mn, Cu y Ag.
2. Semi volátiles: Sb, Cd, Pb, Se, Zn, K y Na.
3. Volátiles: Hg y Tl.
El proceso cementero tiene una gran capacidad para capturar los metales que entran con los materiales o los combustibles. Los metales son embebidos en la estructura cristalina del clinker, no afectando a su calidad. En el clinker o en el polvo recogido en el filtro (de mangas o electrofiltro) son retenidos todos los metales, a excepción de parte del mercurio (cuya entrada, por ello, se limita estrictamente).
Está ampliamente contrastado que el uso de combustibles alternativos no conduce a un incremento significativo de los metales en el cemento ni en el polvo del horno, y que tampoco se ven afectadas las emisiones cuando se limitan las entradas de los volátiles (el Hg).
La estrategia de reducción de la emisión de partículas en los gases de chimenea es garantía de la reducción de las emisiones de metales.
Dibenzodioxinas y dibenzofuranos policlorados (PCDD/PCDF)
La presencia de cloro o hidrocarburos precursores en materias primas o combustibles en cantidades suficientes, podrían ser causa de formación de estos productos en los procesos de combustión.
La práctica, y la abundante literatura disponible, confirman que en el horno de cemento, debido a los largos tiempos de residencia a altas temperaturas, la emisión de PCDD/F es despreciable (< < 0,1 ng TEQ) en un proceso bien conducido y con concentración de precursores baja. También se constata que la formación de PCDD/F no está influenciada por la co-combustión de combustibles alternativos (ver Tabla 4 citada).
Partículas
Históricamente, la emisión de polvo, especialmente de la chimenea del horno, ha sido el impacto ambiental más significativo en la producción de cemento.
Las principales fuente de partículas son los hornos, los molinos de materias primas, enfriadores de clinker y molinos de cemento. En todos estos procesos, grandes volúmenes de gases fluyen a través de materiales pulverulentos, y el producto final también es un polvo fino.
La eficiencia de los modernos electrofiltros y filtros de mangas permiten reducir las emisiones de partículas de los focos principales a niveles muy bajos.
Fuentes secundarias de emisión de partículas son los almacenes y sistemas de manejo de los materiales, así como las vías de rodaje. Esta contaminación difusa, con técnicas adecuadas y prácticas operativas correctas, puede también reducirse a niveles de mínimo impacto para la calidad del aire.
El uso de materiales y combustibles secundarios no tiene influencia en la emisión de partículas del horno, que sólo depende de la eficiencia de los equipos de desempolvado.
Los límites de emisión para los focos principales, allí donde hay regulaciones actualizadas, suelen situarse en 50 mg/Nm3 para instalaciones nuevas, permitiéndose frecuentemente límites significativamente más altos para instalaciones existentes.
La naturaleza del polvo recogido en los tres focos principales es: materias primas en las emisiones particuladas del horno, finos de clinker en el enfriador y producto final cemento en los molinos de cemento.
La significación ambiental del polvo es su máxima concentración a nivel de suelo, después de la dispersión que sufre la emisión salida por la chimenea; esa sedimentación, unida a la concentración de fondo existente, deberá darnos la calidad del aire a comparar con los estándares de salud ambiental.
Han sido usadas técnicas de modelización para calcular los factores de dispersión en el aire de un amplio número de chimeneas de hornos cementeros. Los factores están entre 500.000 y 3.000.000, dependiendo de la altura de chimenea, temperatura y velocidad del gas emitido, condiciones atmosféricas, topografía, etc.
Si la concentración de partículas en los gases emitidos por la chimenea fuera 100 mg/Nm3, dichos factores de dispersión conducirían a concentraciones máximas a nivel de suelo de entre 0,2 y 0,03 m g/m3 (el nivel límite actual en la UE para partículas suspendidas totales es 150 m g/m3).
Es claro que a veces no son necesarios, ni aconsejables, esfuerzos de reducción de emisiones de partículas a límites mínimos (para los que el coste de los equipos de desempolvado aumentan exponencialmente) porque no se justifica la relación coste/beneficio ambiental.
Otras emisiones
A causa de la maquinaria pesada y el gran tamaño de los ventiladores usados, se originan emisiones de ruido y vibraciones que pueden y deben limitarse a niveles de baja significación.
Es muy infrecuente un problema de emisión de olores en fábricas de cemento.
Tampoco es significativo la producción de residuos en la producción de cemento, a excepción del polvo del electrofiltro (o filtro de mangas) principal. Habitualmente es reciclado en el propio proceso; si no, deberá ser depositado adecuadamente en vertedero.
CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CEMENTO
Generalidades
La producción de cemento es un proceso químico en el que las materias primas (minerales naturales, principalmente) son íntimamente mezcladas con los gases de combustión. Este contacto no origina, sin embargo, cantidades apreciables de contaminantes en los gases emitidos, ya que la mayor parte de las sustancias potencialmente contaminantes son absorbidas por el producto, e integradas en él de una manera químicamente estable.
La formación de NOx es inherente a la alta temperatura de combustión.
Las condiciones de combustión del proceso cementero aseguran que cualquier compuesto orgánico en el combustible -hasta los más estables químicamente, como los PCBs- es totalmente destruido.
La producción de cemento no genera residuos; no hay cenizas ni escorias, todos los materiales entrantes se integran en el producto.
Más de la mitad del CO2 emitido -gas no tóxico pero de efectos adversos para el calentamiento global- provienen del proceso de descarbonatación; el resto, del uso de combustibles, especialmente fósiles.
Alta temperatura del proceso
En el proceso de combustión de clinker debe llevarse el material a temperaturas de 1.400 - 1.500ºC., lo que exige una llama de casi 2.000ºC. y condiciones oxidantes.
Los perfiles de temperatura de materiales y gases a lo largo del proceso de clinkerización obedecen a los que muestran las figuras 3 y 4.
Con gases de combustión del quemador principal a unos 2.000ºC., los tiempos de residencia de los gases a alta temperatura en el horno rotativo son de 5 a 10 segundos. Bajo estas condiciones, los compuestos orgánicos de los combustibles son eficazmente destruidos por combustión completa.
Las altas temperaturas son causa de una alta producción de óxidos de nitrógeno (NOx), tanto por oxidación del nitrógeno molecular del aire de combustión como del de los combustibles. La combustión -obligada- en exceso de oxígeno, favorece aún más la formación de NOx, por lo que debe reducirse dicho exceso al mínimo conveniente. El uso de sistemas expertos para el control del horno, la inyección de agua para reducir la temperatura de la llama y el diseño de quemadores especiales (llamados de bajo NOx) son hoy los medios usuales para contribuir a la reducción de estas emisiones.
Todos los materiales se convierten en producto
Las materias primas (calizas, margas y arcillas) proporcionan los óxidos principales (de Ca, Si, Al, Fe) que compondrán las fases principales del clinker, silicatos de calcio (tri y bi-cálcicos) y aluminatos de calcio. Las cenizas de los combustibles aportan los mismos componentes que las materias primas, y deben considerarse en el balance que conduce a una exacta composición del clinker.
Similarmente a los elementos principales, el resto de elementos traza inorgánicos de los materiales o de los combustibles se incorporan al clinker, quedan embebidos en su estructura mineral. Este es especialmente el caso de los metales pesados no volátiles.
El uso de materiales secundarios en el horno de clinker no genera ningún residuo, y al contener los principales constituyentes no-combustibles (SiO2, Al2O3, FE2O3 y/o CaO) sustituyen a la cantidad correspondiente de materias primas.
Los metales pesados están naturalmente presentes en las materias primas y en los combustibles, en muy pequeñas concentraciones. Su comportamiento en las emisiones depende de su volatilidad: salvo el mercurio (que sólo es retenido en muy pequeño porcentaje), todos son retenidos casi al 100% en el clinker o en el polvo del filtro.
Un proceso con tecnología inherente de limpieza de los gases de combustión
En todos los sistemas de horno de cemento, los materiales circulan en contracorriente con el flujo caliente de los gases de combustión. El mayor y más amplio contacto se produce en los sistemas horno-intercambiador de vía seca, influyendo en la emisión de contaminantes: la materia prima -mayoritariamente, cal básica- absorbe muchos componentes de los gases de combustión, provenientes de los combustibles o de la transformación de la propia materia prima, y se incorporan al clinker.
A diferencia de calderas e incineradores, en que se deben inyectar absorbentes para limpiar los gases -habitualmente, caliza- en el horno de clinker no es necesario ya que tiene dentro del sistema estos absorbentes. Dependiendo de la condición física y química de la materia prima, varía su capacidad de absorción; la máxima se da al final de la etapa de calcinación, con el mayor contenido de óxido de calcio hábil para retener las sustancias ácidas, como HCl y HF, o el SO2.
La influencia de álcalis y cloruros
El contenido de álcalis y cloruros afecta a la calidad del clinker y deben ser cuidadosamente controlados. No sólo afectan a la calidad sino que pueden provocar alteraciones en el proceso, como atascos en los ciclones del intercambiador.
La concentración de álcalis y cloruros puede reducirse por elección de los combustibles, pero no siempre es fácil o posible la elección de otras materias primas que los tengan en bajas concentraciones.
En los procesos de vía seca de horno-intercambiador, altas concentraciones de álcalis y cloruros pueden originar atascos en el intercambiador, especialmente en los ciclones inferiores. Una forma de combatirlo es extraer parte de los gases en esa zona, que arrastran partículas cargadas de halogenuros alcalinos; el gas extraído (by-pass) es enfriado para condensar los álcalis antes de que las partículas sean recogidas en un electrofiltro o filtro de mangas. Este polvo es usualmente reciclado al proceso, y cuando ello no es posible -en todo o en parte- se lleva a vertedero.
El horno de Carboneras dispone de by-pass.
Un proceso con gran potencial para hacer un uso beneficioso de materiales y combustibles alternativos
El impacto de las plantas de cemento sobre la calidad del aire es, normalmente, sustancialmente menor que el nivel de significación medioambiental. Esto sigue siendo cierto cuando se usan materiales alternativos. El uso de materiales alternativos preserva materias primas y combustibles primarios. Análisis de ciclo de vida han demostrado que una utilización selectiva de combustibles derivados de residuos reduce las emisiones de CO2 a la atmósfera, al igual que el uso de subproductos o residuos (cenizas volantes, escorias siderúrgicas) como adiciones minerales en el cemento.
La valorización de subproductos o residuos en el proceso cementero ofrece ventajas significativas sobre otros métodos de utilización o eliminación. Tanto el contenido energético como el material es totalmente aprovechado en el proceso de combustión de clinker.
La concentración de elementos traza en el cemento depende primariamente de su nivel en las materias primas, y puede estar afectada por el uso de combustibles alternativos. Todas las investigaciones disponibles demuestran que los niveles de emisión de metales pesados del hormigón no son medioambientalmente significativos, se use como componente cemento fabricado con materiales alternativos o no.
Desde mediados de los 80, los combustibles alternativos vienen siendo utilizados cada vez en mayor medida en los hornos de cemento, demostrando su uso las siguientes ventajas:
Se preservan recursos energéticos fósiles, no renovables, a la vez que se recupera el valor energético (y material) de los residuos o subproductos.
Se reducen los impactos sobre el aire, el agua y el suelo (los que producirían su vertido o su incineración, u otra gestión de peor ecobalance).
En la valorización de residuos en el horno de cemento no se producen otros residuos (contribución al objetivo CERO RESIDUOS).
Costes menores de gestión (se usan instalaciones existentes, evitándose inversiones en nuevas; y los costes de operación son menores).
Se reducen las emisiones de CO2, cooperando al programa nacional de reducción de las emisiones de efecto invernadero.
PERSPECTIVAS DEL SECTOR CEMENTERO. INCIDENCIA DE LA DIRECTIVA IPPC
El cemento es un material de construcción indispensable. La industria cementera tradicionalmente se ha preocupado de la gestión medioambiental de sus procesos de producción y de sus canteras, esforzándose por mantener un balance equilibrado de su comportamiento respecto al Medio Ambiente y las ventajas que el cemento aporta a la sociedad. Ha tomado conciencia creciente de la necesidad de colaborar a la política de desarrollo sostenible.
La industria cementera, con muchos años de experiencia, ha venido abordando programas de modernización progresiva de sus instalaciones en orden a una protección más eficaz del Medio Ambiente. Fiel reflejo de este proceso es la reducción sustancial del consumo de energía térmica conseguida en los últimos decenios, las mejoras en los niveles de emisión, o la introducción de mejores sistemas de gestión medioambiental y códigos de buenas prácticas. (Tabla 5).
La industria está comprometida a actualizar permanentemente su posición en relación a la protección del Medio Ambiente, adaptándose a la evolución de la tecnología, y de las reglamentaciones y nuevas legislaciones.
Ya en 1990, la industria cementera adoptó consensuadamente con la CE un Documento de MEJORES TÉCNICAS DISPONIBLES (BATs/BATNEECs) para la fabricación de cemento, adelantándose al espíritu de la reciente Directiva IPPC, a la que aludiremos después.
En 1992, las Asociaciones de Fabricantes de Cemento europeas y varias compañías cementeras (entre ellas, nuestro grupo HOLDERBANK) firmaron la Carta de las Empresas para el Medio Ambiente, de la Cámara Internacional de Comercio.
En 1993, la industria cementera europea emitió una Declaración de Principios para la protección del Medio Ambiente, adoptando un compromiso de mejora continua y de sostenibilidad.
Hoy, la industria cementera, a través de sus Asociaciones, está colaborando con el instituto IPTS (Institute for Prospective Technological Studies, Europeam IPPC Bureau, Sevilla) en el desarrollo de la directiva IPPC en relación al sector cementero.
La IPPC, motor de mejora medioambiental
Vamos a hacer una alusión particular a la Directiva europea IPPC, aprobada en Oct. 96, por la particular relevancia que va a tener -una vez traspuesta a nuestro ordenamiento legal (antes de Oct. 99)- sobre las actividades industriales en general, y sobre la industria de cemento, entre ellas, en particular.
El objetivo esencial de la IPPC es conseguir que -después de un cierto tiempo- toda la industria de la UE opere bajo permisos (nuevos, o renovados) que definan valores límites para los potenciales efectos sobre todos los campos medioambientales: visión integral que cubra las emisiones al aire, agua y suelo, eficiencia energética y minimización de residuos.
Estos valores límites de emisión integrados serán fijados por cada estado miembro, considerando:
las características técnicas de la planta
la ubicación
las condiciones ambientales del entorno
las mejoras técnicas disponibles (económicamente viables)
El propósito de la Directiva es PREVENIR, REDUCIR y CONTROLAR la contaminación del aire, del agua y del suelo, de modo que no se dañe la salud humana o la calidad del medio ambiente.
Los valores límite de emisiones relevantes para la industria cementera, a incluir en los permisos, son: Partículas, SO2 (en algunos casos), NOx, COVs (en algunos casos), Metales (en algunos casos).
Los valores límites podrán ser complementados o sustituidos por otros parámetros o medidas técnicas, todo ello basado en criterios BAT. (En español MTDs: Mejores Técnicas Disponibles).
La determinación de BATs incluye consideraciones de coste/beneficio y aspectos como (para el cemento):
Uso de tecnologías de baja generación de residuos.
Reciclaje y recuperación de los residuos generados en el propio proceso, o de los generados por otros.
Avances tecnológicos y cambios en el saber científico.
Naturaleza, volumen y efectos de las emisiones significativas.
Período de tiempo necesario para introducir BAT.
Eficiencia energética en el proceso y, en general, optimización en el uso de recursos naturales (en especial, los no renovables).
Las condiciones de los permisos serán reconsideradas: periódicamente, caso de emisiones excesivas, si hay cambios substanciales BAT o en el supuesto de nuevas reglamentaciones.
Todo lo anterior avala la consideración de que la Directiva IPPC va a marcar un antes y un después en el desarrollo de las actividades industriales en relación al medio.
Y nadie duda de que tanto el Medio Ambiente como la Industria -y la sostenibilidad del necesario desarrollo- saldrán ganando.
Herramientas (otras) para la mejora medioambiental
Nos referimos a las más significativas que, aplicadas desde la fase de diseño de un proyecto o como regulación formal del desarrollo de la actividad, son consideradas hoy como instrumentos válidos -e insustituibles- para la preservación de los recursos naturales y la defensa del medio ambiente.
Evaluación del impacto ambiental
Las evaluaciones de impacto ambiental son hoy una técnica generalizada en todo los países industrializados. Formalmente están reguladas en España por el R.D. 1302/1986, de 28 de junio, y el R.D. 1131/1988, de 30 de setiembre, que aprueba el Reglamento.
El objetivo esencial que persigue esta legislación es "evitar en el origen las perturbaciones y contaminaciones que puedan derivarse de ciertas actividades, más que combatir los efectos negativos que producen".
Se concibe como un instrumento que coadyuve a los objetivos de la Comunidad en materia de medio ambiente: conservar, proteger y mejorar la calidad del medio ambiente, contribuir a la protección de la salud de las personas y garantizar una utilización prudente y racional de los recursos naturales. Exigencia, la misma, que nos viene marcada por nuestra Constitución (Art. 45).
Aspecto destacado es la participación ciudadana a través de los procedimientos de información pública, y la publicidad que se hace de la Declaración de Impacto.
El establecimiento de nuevas actividades industriales potencialmente contaminadoras de la atmósfera (del medio) y la ampliación de las existentes (de aquellas recogidas en la lista que define las actividades afectadas), estarán sometidas a este procedimiento.
La fabricación de cemento (y las canteras asociadas) no está listada específicamente en el anexo del R.D. 1302/1986, de 28 de junio, (sí lo está en algún listado autonómico), pero es obvio que en la práctica se le aplicará este procedimiento en los supuestos normados.
Gestión medioambiental
El factor medioambiental se está convirtiendo en eje estratégico y de competitividad de la actividad empresarial, en especial de la industrial.
No es sólo la presión de la legislación, sino la del mercado, la que exige que toda actividad industrial se desarrolle con respeto para el entorno, lo que implica, más allá del mero cumplimiento de la legislación, un proceso de mejora continua.
Un instrumento válido es la implantación de un Sistema de Gestión Medioambiental (formal), cuyos objetivos esenciales son:
Garantizar, como estricto mínimo, el cumplimiento de las Leyes y Reglamentos medioambientales.
Fijar la política medioambiental de la empresa.
Identificar riesgos medioambientales.
Asignar recursos (humanos, económicos, organizativos) para la consecución de los objetivos.
Por razones de aceptación internacional y prestigio, se está imponiendo como Sistema más utilizado el regulado por ISO, en sus Normas 14.000, posterior al Reglamento europeo de Ecogestión y Ecoauditoría (EMAS, adaptado en España a través de la Norma UNE 77801-94), y entre los que hay un amplio núcleo común.
La Asociación de Fabricantes de Cemento española, y las empresas asociadas, han tomado públicamente el compromiso de ir introduciendo esta herramienta de gestión medioambiental en sus actividades. HISALBA, en concreto, ha iniciado su implantación en las dos fábricas almerienses.
C O N C L U S I O N
La fabricación de cemento es un proceso industrial maduro, bien conocido y generalmente bien gestionado.
El cemento es un producto de construcción básico, producido a partir de recursos naturales: materias primas minerales y energía.
La fabricación de cemento provoca efectos sobre el Medio Ambiente, los principales:
Impactos de las canteras en los ecosistemas
Emisión de partículas en la manipulación y procesado de materiales
Emisión de gases en el proceso de combustión
Es constatable el esfuerzo -y el avance- realizado por la industria cementera, desde hace años, para minimizar los impactos medioambientales:
Racionalización de la extracción de materias primas y restauración de los espacios explotados.
Reducción de las emisiones, en especial de partículas en los focos de mayor incidencia.
Mejora de la eficiencia energética.
En general, las instalaciones cementeras están bien integradas en su entorno natural y social.
La industria española de cemento (dentro de ella, las fábricas de Almería son de las más modernas) presenta ratios de eficiencia energética y medioambiental equiparables o superiores a la media europea.
Una contribución medioambiental que la industria cementera puede potenciar de forma sustancial es el ahorro de recursos naturales en su proceso mediante la utilización alternativa de subproductos o residuos.
Es práctica habitual, desde hace muchos años, el uso de materiales secundarios en el proceso cementero, sustituyendo a las materias primas naturales (cenizas de pirita, arenas de fundición, ...), a los combustibles primarios fósiles (coque de petróleo, residuos peligrosos o inertes: neumáticos, aceites usados, plásticos, etc...) o al propio clinker en los cementos compuestos (cenizas volantes, escorias siderúrgicas, yesos industriales, ...)
La aportación de la industria cementera a los sistemas nacionales de gestión de residuos es netamente superior en los países colegas de la UE (más del 10% -en algunas regiones, 50%- de las necesidades energéticas provienen de combustibles residuales, lo que significa un ahorro de más de 2,5 MILL. de T.E.C./a) que en España (< < 1%, siendo HISALBA líder en esta vía).
La valorización energética (y material) de residuos en el horno de cemento es
-análisis de ciclo de vida lo demuestran- una contribución muy positiva a la mejora global del Medio Ambiente.
El horizonte de aplicación de la Directiva IPPC de la UE, a la par que la profundización en los sistemas de gestión medioambiental y la apelación sistemática a herramientas como los estudios de impacto y análisis de ciclo de vida de procesos y productos, propiciarán la continuación en el esfuerzo de mejora contínua del comportamiento medioambiental de las actividades cementeras.