“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 [email protected]

XXXI CONVENCIÓN INTERNACIONAL DE MINERÍA ACAPULCO 2015

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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. 12 12

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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. 18 18

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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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