Un horno de cal es un horno que se utiliza para la calcinación de piedra caliza ( carbonato de calcio ) para producir una forma de cal llamada cal viva ( óxido de calcio ). La ecuación química para esta reacción es
Esta reacción puede tener lugar a cualquier temperatura 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 Se suele utilizar alrededor de 1.000 °C (1.830 °F) (a cuya temperatura la presión parcial de CO 2 es de 3,8 atmósferas [1] ) para 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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Debido a que se obtiene tan fácilmente calentando piedra caliza, la cal debe haber sido conocida desde los tiempos más remotos, y todas las primeras civilizaciones la utilizaron en morteros de construcción y como estabilizador en revocos y pisos de barro. [3] Según hallazgos en 'Ain Ghazal en Jordania, Yiftahel en Israel y Abu Hureyra en Siria que datan del 7500 al 6000 a. C., el primer uso de la cal fue principalmente como aglutinante en pisos y en yeso para revestir paredes. [4] Este uso de yeso puede, a su vez, haber llevado al desarrollo de la proto-cerámica, hecha de cal y ceniza. [4] En el mortero, el aglutinante más antiguo era el barro. [4] Según 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 sólo se hizo ampliamente posible cuando el uso del carbón lo hizo barato [5] en las minas de carbón a finales del siglo XIII, y en 1523 se dio una explicación del uso agrícola. [6 ] Las primeras descripciones de hornos de cal difieren poco de las utilizadas para la fabricación a pequeña escala hace un siglo. [ cita necesaria ] 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 necesaria ] 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 categorías amplias: "hornos de antorcha", también conocidos como hornos "intermitentes" o "periódicos"; y "hornos de extracción", también conocidos como hornos "perpetuos" o "en funcionamiento". En un horno de antorcha, se acumulaba una capa inferior de carbón y el horno de arriba se llenaba únicamente con tiza. El fuego estuvo encendido durante varios días y luego se vació todo el horno de cal.
En un horno de extracción, normalmente una estructura de piedra, la tiza o piedra caliza se recubría con madera, carbón o coque y se encendía. A medida que se quemaba, la cal se extraía del fondo del horno, a través del orificio de extracción. En la parte superior se agregaron más capas de piedra y combustible. [7] [8]
La característica común de los primeros hornos era una cámara de combustión en forma de huevera, con una entrada de aire en la base (el "ojo"), construida de ladrillo. La piedra caliza se trituró (a menudo a mano) hasta obtener una superficie bastante uniforme de 20 a 60 mm (1 a 2+1 ⁄ 2 pulgadas): se rechazó la piedra fina. En el horno se acumulaban sucesivas capas en forma de cúpula de piedra caliza, madera o carbón sobre barras de rejilla a lo largo del ojo. Cuando se completó la carga, el horno se encendió en la parte inferior y el fuego se extendió gradualmente hacia arriba a través de la carga. Cuando se quemó por completo, la cal se enfrió y se rastrilló por la base. La ceniza fina cayó y fue rechazada junto con los "acertijos".
Sólo se podía utilizar piedra en trozos, porque la carga necesitaba "respirar" durante el disparo. Esto también limitó el tamaño de los hornos y explica por qué todos los hornos eran prácticamente del mismo tamaño. Por encima de cierto diámetro, la carga medio quemada probablemente colapsaría por su propio peso, extinguiendo el fuego. Por eso, los hornos siempre producían entre 25 y 30 toneladas de cal en un lote. Normalmente, el horno tardaba un día en cargarse, tres días en encenderse, dos días en enfriarse y un día en descargarse, por lo que un plazo de entrega de una semana era normal. El grado de combustión se controló mediante prueba 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 cal quemada. La eficiencia típica del combustible fue baja: se utilizaron 0,5 toneladas o más de carbón por tonelada de cal terminada (15 MJ/kg).
En ocasiones, la producción de cal se realizaba a escala industrial. Un ejemplo en Annery en North Devon , Inglaterra , cerca de Great Torrington , estaba formado por tres hornos agrupados en forma de 'L' y estaba situado junto al canal de Torrington y el río Torridge para traer piedra caliza y carbón, y transportar eliminar la cal calcinada en los días anteriores a que existieran las carreteras debidamente asfaltadas . [9]
Eran comunes conjuntos de siete hornos. Un equipo de carga y otro de descarga trabajarían en los hornos en rotación durante la semana.
Un horno poco utilizado se conocía como "horno perezoso". [10]
A finales del siglo XIX y principios del XX, la ciudad de Waratah en Gippsland , Victoria , Australia, produjo la mayor parte de la cal viva utilizada en la ciudad de Melbourne , así como en otras partes de Gippsland. La ciudad, ahora llamada Walkerville , estaba situada en una parte aislada de la costa victoriana y exportaba la cal por barco. Cuando esto dejó de ser rentable en 1926, los hornos se cerraron. La zona actual, aunque no cuenta con servicios urbanos como tal, se comercializa como un destino turístico. Aún hoy se pueden contemplar las ruinas de los hornos de cal.
También existía un horno de cal en Wool Bay , Australia del Sur .
El gran horno de Crindledykes cerca de Haydon Bridge , Northumbria, era uno de los más de 300 del condado. Era único en el área al tener cuatro arcos de empate en un solo bote. Como se redujo la producción, los dos arcos laterales fueron bloqueados, pero fueron restaurados en 1989 por English Heritage .
El desarrollo de la red ferroviaria nacional hizo que los hornos locales de pequeña escala fueran cada vez menos rentables y gradualmente desaparecieron a lo largo del siglo XIX. Fueron reemplazados por plantas industriales más grandes. Al mismo tiempo, nuevos usos de la cal en las industrias química , siderúrgica y azucarera llevaron a la creación de plantas a gran escala. Estos también vieron el desarrollo de hornos más eficientes.
Un horno de cal erigido en Dudley , West Midlands (anteriormente 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 se encuentra entre los últimos en una región que estuvo dominada por la minería del carbón y de la piedra caliza durante generaciones hasta la década de 1960. [11]
El calor teórico (la entalpía estándar ) de reacción requerido 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 tenían solo alrededor del 20% de eficiencia. La clave para el desarrollo de la eficiencia fue la invención de los hornos continuos, evitando los ciclos de calentamiento y enfriamiento innecesarios de los hornos discontinuos. Los primeros fueron hornos de cuba simples, similares en construcción a los altos hornos . Se trata de hornos de cuba a contracorriente. Las variantes modernas incluyen hornos regenerativos y anulares. La producción suele oscilar entre 100 y 500 toneladas por día.
El combustible se inyecta hasta la mitad del eje, produciendo la temperatura máxima en este punto. El alimento fresco introducido por la parte superior primero se seca y luego se calienta a 800 °C, donde comienza la descarbonatación y avanza progresivamente más rápido a medida que aumenta la temperatura. Debajo del quemador, la cal caliente transfiere calor al aire de combustión y es enfriada por él. Una rejilla mecánica retira la cal por el fondo. Un ventilador aspira los gases a través del horno y el nivel en el horno se mantiene constante añadiendo alimentación a través de una esclusa de aire. Al igual que con los hornos discontinuos, sólo se puede utilizar piedra grande y clasificada para garantizar flujos de gas uniformes a través de la carga. El grado de combustión se puede ajustar cambiando la velocidad de extracción de cal. Es posible un consumo de calor tan bajo como 4 MJ/kg, pero lo más típico es de 4,5 a 5 MJ/kg. Debido al pico de temperatura en los quemadores de hasta 1200 °C, en un horno de cuba las condiciones son ideales para producir cal de combustión media y dura.
Por lo general, constan de un par de ejes que funcionan alternativamente. Primero, cuando el eje A es el eje "primario" y B el eje "secundario", el aire de combustión se agrega desde la parte superior del eje A, mientras que el combustible se agrega un poco más abajo a través de lanzas de quemador. 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 agrega aire de enfriamiento desde abajo para enfriar la cal y hacer que los gases escapen. por el fondo del horno es imposible manteniendo siempre una presión positiva. El aire de combustión y el aire de refrigeración salen juntos del horno a través del escape situado en la parte superior del eje B, precalentando la piedra. La dirección del flujo se invierte periódicamente (normalmente de 5 a 10 veces por hora) en los ejes A y B, cambiando el papel de eje "primario" 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 larga zona de combustión de temperatura constante y relativamente baja (alrededor de 950 °C) que es ideal para la producción de cal reactiva quemada blanda de alta calidad. Con temperaturas de los gases de escape tan bajas como 120 °C y una temperatura de la cal a la salida del horno 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 sustanciales de combustible. Los hornos regenerativos se construyen con una producción de 150 a 800 t/día, siendo lo habitual entre 300 y 450.
Estos contienen un cilindro interno concéntrico. Este recoge aire precalentado de la zona de enfriamiento, que luego se utiliza para presurizar la zona anular media del horno. El aire que se propaga hacia afuera desde la zona presurizada provoca un flujo en contracorriente hacia arriba y un flujo en contracorriente hacia abajo. Esto produce nuevamente 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 rotativos comenzaron a utilizarse para la fabricación de cal a principios del siglo XX y hoy representan una gran proporción de las nuevas instalaciones si los costes energéticos son menos importantes. El uso inicial de hornos rotatorios simples tenía la ventaja de que se podía utilizar una gama mucho más amplia de tamaños de piedra caliza, desde finas hacia arriba, y se podían eliminar elementos indeseables como el azufre . Por otro lado, el consumo de combustible era relativamente alto debido al deficiente 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 entre 7 y 10 MJ/kg. Las instalaciones modernas superan parcialmente esta desventaja añadiendo un precalentador, que tiene el mismo buen contacto sólidos/gas que un horno de cuba, pero el consumo de combustible sigue siendo algo mayor, normalmente en el rango de 4,5 a 6 MJ/kg. En el diseño que se muestra, se dispone un círculo de ejes (normalmente entre 8 y 15) alrededor del conducto ascendente del horno. La piedra caliza caliente se descarga de los pozos en secuencia, mediante la acción de una "placa empujadora" hidráulica. Son típicos los hornos con una producción de 1000 toneladas por día. El horno rotatorio es el más flexible de todos los hornos de cal, capaz de producir cal o dolima de cocción suave, media o dura, así como cal cocida a muerte.
Todos los diseños de hornos mencionados anteriormente producen gases de escape que transportan una cantidad apreciable de polvo. El polvo de cal es especialmente corrosivo. Se instala equipo para atrapar este polvo, generalmente en forma de precipitadores electrostáticos o filtros de bolsa. El polvo suele contener 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 CO 2 en algunas aplicaciones, como cuando se utiliza como mortero ; este CO 2 se reabsorbe posteriormente a medida que el mortero se desintegra.
Si el calor suministrado para formar la cal (3,75 MJ/kg en un horno eficiente) se obtiene quemando combustibles fósiles, se liberará CO 2 : en el caso del carbón, 295 kg/t; en el caso del gas natural, 206 kg/t. El consumo de energía eléctrica de una planta eficiente ronda los 20 kWh por tonelada de cal. Este aporte adicional equivale a unos 20 kg de CO 2 por tonelada si la electricidad se genera con carbón. Por lo tanto, la emisión total puede ser de alrededor de 1 tonelada de CO 2 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 totalmente renovable, como la solar, eólica, hidráulica o incluso nuclear; puede que no haya ninguna emisión neta de CO 2 procedente 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 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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