Un horno de cal es un horno que se utiliza para calcinar caliza ( carbonato de calcio ) para producir la forma de cal llamada cal viva ( óxido de calcio ) . La ecuación química para esta reacción es
Esta reacción puede tener lugar en cualquier lugar por encima de 840 °C (1540 °F), pero generalmente se considera que ocurre a 900 °C (1650 °F) (a cuya temperatura la presión parcial de CO 2 es 1 atmósfera ), pero una temperatura alrededor de 1000 °C (1830 °F) (a cuya temperatura la presión parcial de CO 2 es 3,8 atmósferas [1] ) se usa generalmente para hacer que la reacción se desarrolle rápidamente. [2] Se evita la temperatura excesiva porque produce cal no reactiva, "quemada a muerte".
La cal apagada ( hidróxido de calcio ) se puede formar mezclando cal viva con agua.
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Como se obtiene fácilmente calentando piedra caliza, la cal debe haber sido conocida desde los tiempos más remotos, y todas las civilizaciones primitivas la utilizaron en la construcción de morteros y como estabilizador en revoques y suelos de barro. [3] Según los hallazgos en 'Ain Ghazal en Jordania, Yiftahel en Israel y Abu Hureyra en Siria que datan de 7500-6000 a. C., el primer uso de la cal fue principalmente como aglutinante en pisos y en yeso para revestir paredes. [4] Este uso del yeso puede haber llevado a su vez al desarrollo de la protocerámica, hecha de cal y ceniza. [4] En el mortero, el aglutinante más antiguo era el barro. [4] Según los hallazgos en Catal Hüyük en Turquía, al barro pronto le siguió la arcilla, y luego la cal en el sexto milenio a. C. [4]
El conocimiento de su valor en la agricultura también es antiguo, pero el uso agrícola solo se hizo ampliamente posible cuando el uso del carbón lo hizo barato [5] en los yacimientos de carbón a fines del siglo XIII, y se dio un relato de su uso agrícola en 1523. [6] Las primeras descripciones de los hornos de cal difieren poco de las utilizadas para la fabricación a pequeña escala hace un siglo. [ cita requerida ] Debido a que el transporte terrestre de minerales como la piedra caliza y el carbón era difícil en la era preindustrial, se distribuían por mar y la cal se fabricaba con mayor frecuencia en pequeños puertos costeros. [ cita requerida ] Todavía se pueden ver muchos hornos conservados en los muelles de las costas de Gran Bretaña.
Los hornos de cal permanentes se dividen en dos grandes categorías: los "hornos de quema", también conocidos como hornos "intermitentes" o "periódicos"; y los "hornos de tiro", también conocidos como hornos "perpetuos" o "de funcionamiento". En un horno de quema, se construía una capa inferior de carbón y el horno superior se llenaba únicamente con tiza. El fuego permanecía encendido durante varios días y luego se vaciaba todo el horno de cal.
En un horno de tiro, generalmente una estructura de piedra, la tiza o caliza se cubría con capas de madera, carbón o coque y se encendía. A medida que se quemaba, se extraía cal del fondo del horno a través del orificio de tiro. Se añadían más capas de piedra y combustible en la parte superior. [7] [8]
La característica común de los hornos primitivos era una cámara de combustión en forma de copa de huevo, con una entrada de aire en la base (el "ojo"), construida de ladrillo. La piedra caliza se trituraba (a menudo a mano) hasta obtener un grosor bastante uniforme de 20 a 60 mm (1 a 2 pulgadas) .+1 ⁄ 2 pulgada) de trozos: la piedra fina se desechaba. Se formaban capas sucesivas en forma de cúpula de piedra caliza y madera o carbón en el horno sobre barras de rejilla a lo largo del ojo. Cuando se completaba la carga, se encendía el horno por la parte inferior y el fuego se extendía gradualmente hacia arriba a través de la carga. Cuando se quemaba por completo, la cal se enfriaba y se rastrillaba hacia afuera a través de la base. La ceniza fina caía y se desechaba con los "cribados".
Solo se podía utilizar piedra en trozos, porque la carga necesitaba "respirar" durante la cocción. Esto también limitaba el tamaño de los hornos y explica por qué todos los hornos eran del mismo tamaño. Por encima de un cierto diámetro, la carga medio quemada probablemente colapsaría por su propio peso, extinguiendo el fuego. Por lo tanto, los hornos siempre producían entre 25 y 30 toneladas de cal en un lote. Por lo general, el horno tardaba un día en cargarse, tres días en encenderse, dos días en enfriarse y un día en descargarse, por lo que un tiempo de entrega de una semana era normal. El grado de combustión se controlaba por ensayo y error de un lote a otro variando la cantidad de combustible utilizado. Debido a que había grandes diferencias de temperatura entre el centro de la carga y el material cercano a la pared, normalmente se producía una mezcla de cal poco quemada (es decir, alta pérdida por ignición ), bien quemada y calcinada a muerte. La eficiencia típica del combustible era baja, con 0,5 toneladas o más de carbón utilizado por tonelada de cal terminada (15 MJ/kg).
La producción de cal se llevaba a cabo a veces a escala industrial. Un ejemplo de ello se encontraba en Annery , en el norte de Devon (Inglaterra) , cerca de Great Torrington , y estaba formado por tres hornos agrupados en forma de "L" y situados junto al canal de Torrington y el río Torridge para traer la piedra caliza y el carbón y transportar la cal calcinada antes de que existieran carreteras pavimentadas . [9]
Era común contar con conjuntos de siete hornos. Una cuadrilla de carga y otra de descarga trabajaban en los hornos de manera rotativa durante la semana.
Un horno que rara vez se utilizaba se conocía como "horno perezoso". [10]
A finales del siglo XIX y principios del XX, la ciudad de Waratah , en Gippsland (Victoria , Australia), producía la mayor parte de la cal viva que se utilizaba en la ciudad de Melbourne y en otras zonas de Gippsland. La ciudad, que ahora se llama Walkerville , estaba situada en una zona aislada de la costa victoriana y exportaba la cal por barco. Cuando esta actividad dejó de ser rentable en 1926, se cerraron los hornos. La zona actual, aunque no cuenta con servicios urbanos como tales, se promociona como destino turístico. Las ruinas de los hornos de cal todavía se pueden ver hoy en día.
También existía un horno de cal en Wool Bay , Australia del Sur .
El gran horno de Crindledykes, cerca de Haydon Bridge , en Northumbria, era uno de los más de 300 que había en el condado. Era único en la zona porque tenía cuatro arcos de tiro para una sola olla. Cuando se redujo la producción, los dos arcos laterales se bloquearon, pero English Heritage los restauró en 1989 .
El desarrollo de la red ferroviaria nacional hizo que los hornos locales de pequeña escala fueran cada vez menos rentables y fueron desapareciendo gradualmente a lo largo del siglo XIX. Fueron reemplazados por plantas industriales de mayor tamaño. Al mismo tiempo, los nuevos usos de la cal en las industrias química , siderúrgica y azucarera dieron lugar a plantas de gran escala. Estas también vieron el desarrollo de hornos más eficientes.
Un horno de cal construido en Dudley , West Midlands (antes Worcestershire ) en 1842 sobrevive como parte del Black Country Living Museum , que abrió sus puertas en 1976, aunque los hornos se utilizaron por última vez durante la década de 1920. Ahora es uno de los últimos en una región que estuvo dominada por la minería de carbón y de piedra caliza durante generaciones hasta la década de 1960. [11]
El calor teórico (la entalpía estándar ) de reacción necesaria para producir cal con alto contenido de calcio es de alrededor de 3,15 MJ por kg de cal, por lo que los hornos discontinuos solo tenían una eficiencia del 20 %. La clave para el desarrollo de la eficiencia fue la invención de los hornos continuos, que evitaban los ciclos de calentamiento y enfriamiento innecesarios de los hornos discontinuos. Los primeros fueron hornos de cuba simples, de construcción similar a los altos hornos . Se trata de hornos de cuba a contracorriente. Las variantes modernas incluyen hornos regenerativos y anulares. La producción suele estar en el rango de 100 a 500 toneladas por día.
El combustible se inyecta en la parte superior del eje, alcanzando así la temperatura máxima. El material fresco que se introduce en la parte superior se seca primero y luego se calienta a 800 °C, donde comienza la descarbonatación, que avanza progresivamente más rápido a medida que aumenta la temperatura. Debajo del quemador, la cal caliente transfiere calor al aire de combustión y se enfría con él. Una rejilla mecánica extrae la cal en la parte inferior. Un ventilador hace pasar los gases a través del horno y el nivel en el horno se mantiene constante añadiendo material a través de una esclusa de aire. Al igual que con los hornos de carga, solo se pueden utilizar piedras grandes y calibradas para garantizar flujos de gas uniformes a través de la carga. El grado de combustión se puede ajustar modificando la velocidad de extracción de cal. Es posible un consumo de calor de hasta 4 MJ/kg, pero lo más habitual es que sea de 4,5 a 5 MJ/kg. Debido al pico de temperatura en los quemadores de hasta 1200 °C en un horno de eje, las condiciones son ideales para producir cal de combustión media y dura.
Estos hornos suelen estar formados por un par de pozos que funcionan de forma alternada. En primer lugar, cuando el pozo A es el "principal" y el B el "secundario", el aire de combustión se añade desde la parte superior del pozo A, mientras que el combustible se introduce un poco más abajo a través de las lanzas de los quemadores. La llama es de arriba a abajo. Los gases calientes pasan hacia abajo, cruzan al pozo B a través del llamado "canal" y pasan hacia arriba hasta el escape del pozo B. Al mismo tiempo, en ambos pozos se añade aire de refrigeración desde la parte inferior para enfriar la cal y hacer imposible el escape de gases por la parte inferior del horno manteniendo siempre una presión positiva. El aire de combustión y el aire de refrigeración salen del horno conjuntamente a través del escape en la parte superior del pozo B, precalentando la piedra. La dirección del flujo se invierte periódicamente (normalmente 5-10 veces por hora) y el pozo A y el B cambian el papel de pozo "principal" y "secundario". El horno tiene tres zonas: zona de precalentamiento en la parte superior, zona de combustión en el medio y zona de enfriamiento cerca de la parte inferior. El ciclo produce una zona de combustión prolongada de temperatura constante y relativamente baja (alrededor de 950 °C), ideal para la producción de cal reactiva blanda de alta calidad. Con temperaturas de gases de escape tan bajas como 120 °C y una temperatura de cal en la salida del horno en el rango de 80 °C, la pérdida de calor del horno regenerativo es mínima y el consumo de combustible es tan bajo como 3,6 MJ/kg. Debido a estas características, los hornos regenerativos son hoy en día una tecnología convencional en condiciones de costos de combustible sustanciales. Los hornos regenerativos se construyen con una producción de 150 a 800 t/día, siendo lo típico de 300 a 450.
Estos contienen un cilindro interno concéntrico. Este recoge el aire precalentado de la zona de enfriamiento, que luego se utiliza para presurizar la zona anular media del horno. El aire que se extiende hacia afuera desde la zona presurizada provoca un flujo en contracorriente hacia arriba y un flujo en paralelo hacia abajo. Esto nuevamente produce una zona de calcinación larga y relativamente fría. El consumo de combustible está en el rango de 4 a 4,5 MJ/kg y la cal suele tener una combustión media.
Los hornos rotatorios comenzaron a utilizarse para la fabricación de cal a principios del siglo XX y ahora representan una gran proporción de las nuevas instalaciones si los costos de energía son menos importantes. El uso temprano de hornos rotatorios simples tenía las ventajas de que se podía utilizar una gama mucho más amplia de tamaños de piedra caliza, desde finos hacia arriba, y se podían eliminar elementos indeseables como el azufre . Por otro lado, el consumo de combustible era relativamente alto debido al pobre intercambio de calor en comparación con los hornos de cuba, lo que provocaba una pérdida excesiva de calor en los gases de escape. Los hornos rotatorios "largos" antiguos funcionan a 7 a 10 MJ/kg. Las instalaciones modernas superan parcialmente esta desventaja agregando un precalentador, que tiene el mismo buen contacto sólidos/gas que un horno de cuba, pero el consumo de combustible sigue siendo algo más alto, típicamente en el rango de 4,5 a 6 MJ/kg. En el diseño mostrado, un círculo de cubas (típicamente 8-15) está dispuesto alrededor del conducto ascendente del horno. La caliza caliente se descarga de los pozos en secuencia, mediante la acción de una "placa de empuje" hidráulica. Los hornos de cal de producción diaria son típicos. El horno rotatorio es el más flexible de todos los hornos de cal, ya que puede producir cal blanda, media o dura, así como calcinada a muerte o cal dolomítica.
Todos los diseños de hornos mencionados anteriormente producen gases de escape que transportan una cantidad apreciable de polvo. El polvo de cal es particularmente corrosivo. Se instalan equipos para atrapar este polvo, generalmente en forma de precipitadores electrostáticos o filtros de mangas. El polvo generalmente contiene una alta concentración de elementos como metales alcalinos , halógenos y azufre.
La industria de la cal es un importante emisor de dióxido de carbono . La fabricación de una tonelada de óxido de calcio implica la descomposición del carbonato de calcio, con la formación de 785 kg de CO2 en algunas aplicaciones, como cuando se utiliza como mortero ; este CO2 se reabsorbe posteriormente cuando el mortero se descompone.
Si el calor suministrado para formar la cal (3,75 MJ/kg en un horno eficiente) se obtiene quemando combustible fósil, liberará CO2 : en el caso del combustible de carbón, 295 kg/t; en el caso del combustible de gas natural, 206 kg/t. El consumo de energía eléctrica de una planta eficiente es de alrededor de 20 kWh por tonelada de cal. Este insumo adicional es el equivalente a alrededor de 20 kg de CO2 por tonelada si la electricidad se genera con carbón. Por lo tanto, la emisión total puede ser de alrededor de 1 tonelada de CO2 por cada tonelada de cal incluso en plantas industriales eficientes, pero normalmente es de 1,3 t/t. [13] Sin embargo, si la fuente de energía térmica utilizada en su fabricación es una fuente de energía completamente renovable, como solar, eólica, hidroeléctrica o incluso nuclear; puede que no haya emisión neta de CO2 del proceso de calcinación. Se requiere menos energía en la producción por peso que el cemento Portland , principalmente porque se requiere una temperatura más baja.
Horno de cal de doble arco de Wainmans: edificio catalogado de grado II, 1 de febrero de 2005
Detalles e imagen: https://web.archive.org/web/20140522012536/http://cowlingweb.co.uk/local_history/history/wainmanslimekiln.asp
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