Guía de Mejores Técnicas Disponibles de fabricación de Cemento en España

Índice
Prólogo
Resumen
1. Información general sobre la Industria del Cemento
2. Procesos y Técnicas aplicadas
2.1 Obtención de materias primas2.2 Almacenamiento y preparación de materias primas
2.2.1. Almacenamiento de materias primas2.2.2. Molienda de materias primas
2.3. Almacenamiento y preparación de los combustibles
2.3.1. Almacenamiento de combustibles2.3.2. Preparación de los combustibles2.3.3. Empleo de residuos como combustible
2.3.3.1. Condiciones termoquímicas de los hornos de clinker2.3.3.2. Limitaciones a la sustitución con combustibles alternativos 2.3.3.3. Preparación de combustibles alternativos2.3.3.4. Manipulación de residuos y alimentación al horno
2.4. Cocción del clínker
2.4.1. Hornos rotativos largos2.4.2. Hornos rotativos equipados con precalentadores2.4.3. Hornos rotativos con precalentador y precalcinador2.4.4. Gases de salida del horno2.4.5. Enfriadores de clínker
2.5. Molienda y almacenamiento de cemento
2.5.1. Almacenamiento del clínker2.5.2. Molienda de cemento2.5.3. Almacenamiento de cemento
2.6. Ensacado y expediciones
3. Niveles actuales de emisiones y consumo de energía y materias primas
3.1. Consumo de materias primas3.2. Consumo de energía3.3. Emisiones
3.3.1. Óxidos de nitrógeno3.3.2. Dióxido de azufre3.3.3. Partículas3.3.4. Óxidos de carbono3.3.5. Compuestos orgánicos volátiles3.3.6. Dibenzodioxinas policloradas y dibenzofuranos3.3.7. Metales y sus compuestos
3.4. Residuos3.5. Ruidos3.6. Olores
4. Las Mejores Técnicas Disponibles en la Industria del Cemento
4.1. Consideraciones previas4.2. MTD de carácter general
4.2.1. Optimización del control de proceso
4.3. MTDs para el control de los óxidos de nitrógeno
4.3.1. MTDs y valores de emisión asociados
4.3.2 Información sobre el quemador de bajo NOx4.3.3 Información sobre la combustión por etapas4.3.4. Información sobre la reducción no catalítica selectiva.
4.4. MTDs para el control de los óxidos de azufre
4.4.1 MTDs y valores de emisión asociados4.4.2. Información sobre la adición de absorbente
4.5. MTDs para el control de las partículas
4.5.1. MTDs y valores de emisión asociados4.5.2. Información sobre el control de las emisiones de fuentes dispersas 4.5.3. Información sobre el control de las emisiones de fuentes puntuales
5. Medición y Control de emisiones a la atmósfera
5.1. Introducción 5.2. Legislación
5.2.1. Legislación básica5.2.2. Registro Europeo de Emisiones Contaminantes (EPER)
5.3. Aspectos básicos de la medición y control de las emisiones a la atmósfera de la industria del cemento
5.3.1. Identificación de los parámetros críticos5.3.2. Tipología de los sistemas de medición 5.3.3. Métodos de cálculo y estimación
5.4. Tipología de los sistemas de medición y control de las emisiones a la atmósfera de la industria del cemento
5.4.1. Control general de parámetros5.4.2. Medición y control de emisiones de partículas sólidas 5.4.3. Medición y control de emisiones de gases 5.4.4. Medición y control de emisiones de dioxinas y furanos 5.4.5. Medición y control de emisiones de metales pesados 5.4.6. Medición y control de otras emisiones de contaminantes
5.5 Condiciones para determinar valores de emisión a partir de equipos de medición en continuo en fábricas de cemento
5.5.1. Ámbito de aplicación 5.5.2. Calibración5.5.3. Homologación5.5.4. Cumplimiento
6. Técnicas emergentes y en desuso en la industria del cemento
6.1. Técnicas emergentes
6.1.1. Tecnología de fabricación de clínker en lecho fluido6.1.2. Reducción catalítica selectiva (SCR)6.1.3. Combustión por etapas combinada con reduccion no-catalítica selectiva (SNCR)
6.2. Técnicas en desuso
ANEXO
1. Acuerdo Voluntario Nacional para la Prevención y el Control de la Contaminación de la Industria del Cemento
PRÓLOGO
1. La ley IPPC y las Mejores Técnicas DisponiblesCon el fin de facilitar la comprensión del presente documento, se describen a continuación los principios básicos de la Ley 16/2002 relativa a la Prevención y Control Integrados de la Contaminación (en adelante Ley IPPC), y la definición que ésta da sobre el concepto de Mejores Técnicas Disponibles (en adelante MTD o BAT).
El propósito de la ley es conseguir la prevención y el control integrados de la contaminación proveniente de las actividades relacionadas en su Anejo I, con el fin de alcanzar un alto grado de protección del medio ambiente, en línea con la filosofía de ‘desarrollo sostenible’ establecida a nivel de la Unión Europea, conjugando el desarrollo económico y social, con la protección de los recursos naturales y el medio ambiente.
En concreto, la ley establece la concesión de autorizaciones ambientales que tengan en consideración los efectos ambientales de la actividad industrial de forma integrada, para lo cual deben incorporarse al análisis cuestiones tales como emisiones a la atmósfera, generación de residuos, vertidos a los cauces, consumo de recursos naturales, etc.
El objetivo final de este enfoque integrado es que la operación y control de las instalaciones industriales se realice de tal forma que garantice una elevada protección del medio ambiente en su conjunto, para lo que la directiva establece que las exigencias ambientales de los permisos deben basarse en las Mejores Técnicas Disponibles, concepto que la directiva define como:
“la fase más eficaz y avanzada de desarrollo de las actividades y de sus modalidades de explotación, que demuestren la capacidad práctica de determinadas técnicas para constituir, en principio, la base de los valores límite de emisión ...”
Tratando de aclarar este importante concepto considera:
“técnicas: la tecnología utilizada junto con la forma en que la instalación esté diseñada, construida, mantenida, explotada y paralizada;”“disponibles: las técnicas desarrolladas a una escala que permita su aplicación en el contexto del sector industrial correspondiente, en condiciones económica y técnicamente viables, ...”“mejores: las técnicas más eficaces para alcanzar un alto nivel general de protección del medio ambiente en su conjunto.”
De los tres conceptos descritos anteriormente, ha sido el de “disponibles” el que más dificultades de interpretación presenta, tanto en lo referente a la viabilidad técnica de las tecnologías consideradas, como en lo que se refiere a la relación coste/beneficio y el impacto que la aplicación de dichas técnicas puede tener sobre la competitividad de los sectores industriales afectados por la Directiva IPPC.
2. Elaboración de este documentoEl artículo 16.2 de la Directiva IPPC establece la obligación de realizar intercambio de información a nivel de la Unión Europea sobre ‘Mejores Técnicas Disponibles’ en los sectores de actividad a los que afecta la directiva.
La Comisión Europea, responsable de coordinar los trabajos de intercambio, estableció una oficina de intercambio (IPPC Bureau), con sede en Sevilla, encargada de organizar el intercambio de información. La orientación y supervisión de los trabajos realizados por dicha oficina corresponde al Foro de Intercambio de Información de la IPPC, Grupo de Expertos de ámbito comunitario en el que están representadas las autoridades ambientales de los países de la Unión Europea, industria y ONGs.
Los trabajos concretos sobre sectores industriales se realizan mediante Grupos de Trabajo Técnicos (TWG, su abreviatura en inglés), en los que participan expertos del sector industrial y de las administraciones ambientales.
El Grupo de Trabajo correspondiente a las industrias del cemento y de la cal comenzó sus trabajos en junio de 1997, y el documento final sobre ambos sectores se hizo público en enero de 2002: Reference Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing Industries (en adelante BREF). Está disponible, exclusivamente en versión inglesa, en la web de la oficina de intercambio (eippcb.jrc.es).
El presente documento toma como base de partida el documento BREF, teniendo en cuenta la realidad de la industria cementera española, tanto desde el punto de vista tecnológico como medioambiental. Para ello se ha incorporado la información disponible sobre la industria cementera en nuestro país, y se ha hecho especial hincapié en los aspectos ambientales asociados a la fabricación de cemento que más preocupan e interesan.
En la elaboración del presente documento han participado especialistas medioambientales de las administraciones públicas, y personas expertas de las empresas cementeras españolas, coordinadas en el Grupo de Trabajo ‘Medio Ambiente’ de la Agrupación de Fabricantes de Cemento de España – Oficemen y el Institut Cerdá.
3. Objetivo de este DocumentoCon este documento, se pretende dar un paso más en la adecuación progresiva de la industria cementera española a los principios de la Ley IPPC, cuya aplicación efectiva debe conducir a una mejora del comportamiento ambiental de las fábricas de cemento que las haga plenamente respetuosas con el medio ambiente.
Este documento encuentra un apoyo concreto en el “Acuerdo Voluntario para la Prevención y Control de la Contaminación de la Industria Española del Cemento”, firmado el 28 de noviembre de 2001, entre el Ministerio de Medio Ambiente y la Agrupación de Fabricantes de Cemento de España, cuya cláusula cuarta recoge explícitamente la realización de estudios sobre Mejores Técnicas Disponibles.
No se trata en ningún caso de un documento cerrado, sino que, muy al contrario, de su lectura y debate deben obtenerse, además de un mejor conocimiento de la industria cementera y su interacción con el medio ambiente, nuevas aportaciones que permitan un enriquecimiento del mismo, confiriéndole el dinamismo que la propia Directiva IPPC requiere.
4. Contenido del documentoLos capítulos 1 y 2 proporcionan información sobre la industria del cemento y sobre los procesos de fabricación.
El capítulo 3 proporciona información concerniente a niveles de consumo (energía y materias primas) y emisiones, reflejando la situación en las instalaciones existentes en el momento de su elaboración.
El capítulo 4 presenta las técnicas consideradas como MTD, y los niveles de consumo y emisión que se consideran asociados a las mismas. Las técnicas y los niveles indicados en el capítulo 4 no son necesariamente apropiados para todas las instalaciones. En el caso de instalaciones existentes, deberá tenerse en consideración la viabilidad técnica y económica de modificarlas.
Los niveles de emisión asociados no son en modo alguno valores límite de emisión. La determinación de los límites de emisión en las condiciones del permiso, o en la elaboración de obligaciones legales sectoriales, deberán decidirse en su momento tomando en consideración, además de las MTD, los factores específicos medioambientales tales como las características técnicas de las instalaciones, la ubicación geográfica de las mismas y las condiciones ambientales locales.
El capítulo 5 trata sobre los sistemas de medida y control de emisiones aplicables a la industria del cemento. En él se identifican, por un lado, los parámetros legales y de operación que caracterizan los procedimientos de medición y control, y por otro, los principales métodos de medición que pueden ser utilizados. Además de los requisitos legales, se disponen los objetivos del Acuerdo Voluntario de Prevención y Control Integrados de la Contaminación en la industria del cemento.
Asimismo, se resumen las características de los métodos más usuales y se describe, en cada caso, la metodología de toma de muestras y análisis, con mención especial del procedimiento de comparación de los datos obtenidos con la legislación.
En el capítulo 6 se presentan las técnicas emergentes que podrían en un futuro considerarse en la determinación de MTD, si superan el estadio actual de desarrollo para convertirse en opciones industriales aplicables técnica y económicamente, y las técnicas que pueden considerarse en desuso para nuevas instalaciones en Europa.
RESUMEN
La Industria del CementoEl cemento es un material básico para la edificación y la ingeniería civil. Su principal propiedad es la de formar masas pétreas resistentes y duraderas cuando se mezcla con áridos y agua. El endurecimiento (fraguado) de la mezcla ocurre transcurrido un cierto tiempo desde el momento en que se realiza la mezcla, lo que permite dar forma (moldear) la piedra artificial resultante. Estas tres cualidades (moldeable, resistente, duradero) hacen que los productos derivados del cemento tengan una gran aplicación en la construcción de infraestructuras y otros elementos constructivos.
El consumo y la producción de cemento están ligados directamente a la actividad constructiva (pública y privada) en cada momento, y por lo tanto sigue una evolución muy pareja a la situación económica general. La producción de cemento en la Unión Europea alcanzó en el año 2000 los 194,3 millones de toneladas, aproximadamente el 11,4 % de la producción mundial. En España las cifras de producción y consumo de cemento se situaron en 38,2 y 38,4 millones de toneladas respectivamente en el año 2000, los valores más altos de la Unión Europea junto con Italia. De la producción del cemento en ese año 1,1 millones fueron de cemento blanco.
En el proceso de fabricación de cemento, pueden diferenciarse tres etapas básicas:
a) Obtención y preparación de materias primas (caliza, marga, arcilla) que son finamente molidas para obtener crudo.b) Cocción del crudo en un horno rotatorio hasta temperaturas de 1.450 ºC (2.000ºC de temperatura de llama) para la obtención de un producto semielaborado denominado clínker de cemento.c) Molienda conjunta del clínker con otros componentes (cenizas volantes, escoria, puzolana, yeso) para obtener el cemento.
La fabricación de cemento es una actividad industrial intensiva en energía, térmica para la cocción de las materias primas; y eléctrica para las operaciones de molienda, manipulación de materiales e impulsión de gases. Los costes energéticos se sitúan alrededor del 30% de los costes de producción.
En la Unión Europea hay unas 300 instalaciones de fabricación de cemento, en las que están en funcionamiento más de 400 hornos de clínker. En España, están en operación 42 fábricas de cemento, en las que operan cerca de 60 hornos y más de 100 molinos de cemento.
En lo que al sistema de horno se refiere, se acepta que, salvo condiciones especiales de la materia prima, la Mejor Técnica Disponible consiste en un horno rotatorio dotado de precalentador de ciclones multietapas y precalcinador. El consumo energético para un horno nuevo de estas características se estima entre 2.900 y 3.200 MJ/t de clínker.Aspectos ambientales de la fabricación de cementoLos aspectos ambientales más importantes de la fabricación de cemento son el consumo energético y la emisión a la atmósfera de las siguientes sustancias:
• Partículas (polvo), proveniente de las operaciones de almacenamiento, transporte y manipulación de los materiales pulverulentos presentes en la fábrica (fuentes dispersas o difusas), y de los filtros de desempolvamiento (fuentes localizadas o puntuales).
• Gases de combustión: óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SO2).Las emisiones del horno de clínker están ligadas a las propiedades de las materias primas (humedad, contenido en compuestos sulfurosos volátiles, dificultad de cocción, resistividad, etc) y a la tipología de sistema de horno empleada (vías húmeda, semihúmeda, semiseca y seca).
La medición de las emisiones en fuentes localizadas es necesaria por diversos motivos, especialmente para controlar el cumplimiento de los límites de emisión.
La elección de un método de medición u otro depende principalmente del tipo de sustancia y de diversos factores que pueden afectar a la exactitud y a la precisión de los resultados.
Mejores Técnicas DisponiblesLa mayor parte de las fábricas de cemento españolas y europeas han adoptado las MTD consideradas como técnicas primarias generales:
• optimización del control del proceso,• sistemas gravimétricos de alimentación de combustibles sólidos, en los enfriadores y• sistemas de gestión de energía.
Estas medidas redundan en mejoras de calidad, reducción de costes y reducción de los consumos energéticos y de las emisiones a la atmósfera.
Las MTD para la reducción de las emisiones de NOx son una combinación de las técnicas primarias mencionadas y:
• quemadores de bajo NOx,• combustión por etapas (o escalonada), y• reducción selectiva no catalítica (SNCR).
El nivel de emisión asociado a estas MTD se sitúa entre 500 y 1.200 mg NOx/Nm3 (como NO2), 500-800 mg NOx/Nm3 para instalaciones nuevas, 800 – 1.200 mg NOx/Nm3 para instalaciones existentes en vía seca.Las MTD para reducir las emisiones de SO2 son una combinación de las técnicas primarias mencionadas y la adición de absorbente. El nivel de emisión asociado a estas técnicas sería de 200-400 mg SO2/Nm3 para hornos vía seca.
Las MTD para la reducción de las emisiones de partículas provenientes de fuentes dispersas son:
• protección de los sistemas de transporte (pavimentación y acondicionamiento de viales, cerramiento de cintas, etc)• cerramiento total o parcial de los almacenamientos (silos de clínker, naves cerradas, pantallas de protección contra el viento, etc)• desempolvamiento de los puntos de carga y descarga, y de transferencia en sistemas de transporte
Las MTD para la reducción de las emisiones por fuentes localizadas son, además de las técnicas primarias:
• filtros electrostáticos• filtros de mangas
El nivel de emisión asociado a estas MTD se sitúa en 10 - 50 mg/Nm3, 30 – 50 mg/Nm3 para hornos y enfriadores, 10 - 30 mg/Nm3 para otras instalaciones de desempolvamiento.

1. Información general sobre la Industria del Cemento
El cemento es un material inorgánico, no metálico, finamente molido que cuando se mezcla con agua y áridos forma una pasta que fragua y endurece (morteros y hormigones). Este endurecimiento hidráulico se debe principalmente a la formación de silicatos cálcicos hidratados como resultado de una reacción entre el agua y los constituyentes del cemento. Esta propiedad de conglomerante hidráulico le ha convertido en un material básico de construcción, imprescindible para la edificación y la realización de infraestructuras.
En Europa, el empleo de cementos naturales (en algunos casos sometidos a tratamientos térmicos primarios) en construcción se remonta a la antigüedad (p.e. mortero romano).
El cemento Portland fue patentado en 1824, y es el cemento más ampliamente empleado en la actualidad en la construcción con hormigón.
El consumo y producción de cemento están directamente relacionados con la marcha del sector de la construcción y, por tanto, con la coyuntura económica general.
En la figura 1.1 se aprecia que la producción mundial de cemento ha crecido progresivamente desde comienzos de los años 50, con una fabricación creciente en los países en desarrollo, particularmente en Asia, que cuenta con la mayor parte del crecimiento en la producción mundial de cemento en los años 90.
Figura 1.1: Producción mundial de cemento desde 1950.[Fuente: Informe Cembureau, 1997].
En 2000 la producción mundial de cemento alcanzó los 1.670 M.t. La Tabla 1.1 muestra la distribución de la producción de cemento por regiones geográficas.

2000

2000
ChinaJapónResto de AsiaUnión EuropeaResto de Europa
36%5%21,2%11,4%5,4
Estados UnidosResto de AméricaAfricaCEIOceanía
5,3%8,3%4,3%2,5%0,5%
Tabla 1.1: Producción mundial de cemento por regiones geográficas en 2000[Fuente: Cembureau].
En 2000, la producción de cemento en la Unión Europea totalizó 194,3 M.t y el consumo de cemento alcanzó 190,7 M.t. Se importaron 24 millones de toneladas de cemento y se exportaron 22,7 M.t, (incluido el comercio entre países de la Unión Europea.)
En la Figura 1.2 se muestran las cifras de consumo y de producción de cemento de la Unión Europea.
Figura 1.2: Producción de cemento, incluido el clínker para exportación, y consumo de cemento en la Unión Europea en 2000.[Fuente: Cembureau]
El comercio mundial de cemento supone tan sólo el 6%-7% de la producción, en su mayoría transportado por mar. Hay generalmente poca importación y exportación de cemento, principalmente como resultado del alto costo del transporte por carretera. (los suministros de cemento por carretera suelen ser por lo general a distancias no mayores de 150 km). Aunque estos costes han hecho que históricamente los mercados del cemento hayan sido predominantemente locales, la progresiva globalización de la economía y la consiguiente desaparición de las trabas al comercio internacional suponen un reto para la fabricación de cemento en la Unión Europea, que sufre la presión de importaciones a bajo precio desde países de la cuenca mediterránea y de Europa del este, e incluso desde países asiáticos.
Las cifras de producción en España en los últimos 25 años han evolucionado como indica la figura 1.3, donde se observa la influencia sobre las mismas de la coyuntura económica del país (crisis de principios de los 70, mediados de los 80, inicio de los 90) .
Figura 1.3. Producción de cemento en España 1975-2000 (miles de toneladas).[Fuente: Oficemen].
España, por su condición de país costero presenta mayores niveles de comercio internacional de cemento, a través de las instalaciones portuarias, por lo que la industria cementera española compite en un mercado global totalmente liberalizado.
Hay cerca de 300 plantas de fabricación de cemento existentes en la Unión Europea. Las instalaciones de fabricación suelen ser integrales (plantas con hornos de clínker y molinos de cemento), aunque en algunos casos cuentan únicamente con instalaciones de molienda de cemento (sin horno de clínker).
Hay más de 400 hornos en los países de la UE, aunque no todos están en funcionamiento de forma simultánea. La tendencia observada en el sector en los últimos años ha sido incrementar la capacidad de producción de las fábricas, a la vez que se cerraban las instalaciones más antiguas y de menor capacidad. La capacidad de producción típica en las fábricas de la UE es de aproximadamente 3.000 t/día, equivalente a algo más de 1.000.000 de t al año de producción.
En España el sector de la fabricación del cemento está constituido por 17 empresas pertenecientes a 14 grupos.
La producción se realiza en 42 fábricas, de las cuales 6 son solamente de molienda. Sus capacidades se sitúan entre las 200 a 10.000 t de cemento diarias. La distribución geográfica de estas fábricas se puede apreciar en la figura 1.4. existen 58 hornos de clínker, distribuidos entre las 36 fábricas integrales existentes.
Fig 1.4 Distribución geográfica de las fábricas de cemento en España en 2001.[Fuente: Oficemen].
Los fabricantes de cemento de la UE han incrementado la producción de cemento por hombre/año desde 1.700 t en 1970 a 3.500 t en 1991. Este incremento en la productividad es el resultado de la incorporación progresiva de equipos de producción de gran tamaño y muy automatizados. Estas instalaciones requieren menos personal, pero más altamente cualificado. El número de personas empleadas en la industria del cemento en la Unión Europea se cifra en cerca de 60.000, y en la española en cerca de 6.900.La norma europea EN 197-1 de cementos comunes define las especificaciones de 27 tipos de cemento Portland, divididos en cinco grupos. Además de los anteriores, se fabrican cementos especiales para aplicaciones particulares.
El cemento se emplea fundamentalmente en construcción de edificios e infraestructuras.La tabla 1.2 indica el consumo realizado en España en las cuatro áreas básicas.
Tabla 1.2. Consumo de cemento en España por aplicación en 2000 (%)
Año
%
Edificación residencialEdificación no residencialObra CivilRenovación y conservación edificación
32,517,7436,8
Consumo estimado de cemento
100
[Fuente: Oficemen].
Además de la producción de cemento, las empresas cementeras se han diversificado también en diversos subsectores de materiales de construcción tales como extracción de áridos, plantas de hormigón, prefabricados, etc.
La industria del cemento es una industria intensiva en capital. La inversión necesaria para la construcción de una fábrica de cemento equivale aproximadamente a la facturación de tres años, lo que la convierte en una de las actividades industriales más intensivas en capital.
Los costes de fabricación más importantes son los relacionados con el consumo de energía (combustibles y electricidad), que se sitúan alrededor del 30% de los costes de producción, y los de personal.