La cal cao más alto implica ahorro de energía y agua (vff) by Coloma Consultores

LA CAL:

CaO más alto implica ahorro de energía y agua.

Guillermo Coloma Álvarez

@ Guillermo Coloma Álvarez Registro de Propiedad Intelectual, Inscripción N° 255884 I.S.B.N. N° 978 - 956 - 358- 853 - 8 Primera edición, diciembre 2015 1.000 ejemplares Prohibida su reproducción por cualquier medio, fotocopias, escaneo, digital, etc. Diseño Portada: Marketing de SIBELCO Chile Ltda. Impreso en Chile. PATROCINIO

AGRADECIMIENTOS Después de la publicación de mi quinto libro de cal, “LA CAL: ¡Es un reactivo químico!”, en julio del 2008 comencé a ver la manera de desarrollar este ejemplar que hoy tiene en sus manos. Hubo una serie de cambios en mi vida profesional que fueron postergando dicha elaboración, pero no lo dejé en el olvido y deseo agradecer a todos los que de una u otra manera con sus palabras me animaron para continuar. En lo familiar, a todos quienes la componen, a quienes les quité mucho de su tiempo, para elaborar lo que ustedes leerán, especialmente en estos tres últimos años que han pasado, a mi nieto Renato, le ofrezco mis disculpas por haberle suspendido mucha de sus salidas al parque de entretenciones. En lo laboral, a Leonardo Alves y Thibault van Stratum, ya que cuando conversé con ellos por primera vez, sabían de mis libros anteriores y me entusiasmaron en que continuara con el que estaba realizando, eso fue crucial para no desanimar, sobre todo Leo, quien cada cierto tiempo me consultaba por esto y me animaba siempre a seguir. En la oficina, a Sérgio Fonseca, quien con sus golpes en la espalda y sonrisa habitual que recibía cuando estaba escribiendo en mi lugar de trabajo, lograba despejar mi mente y generaba nuevas ideas en mi cabeza. A Dagoberto Alvear quien con su particular simpatía y humor apuraba esta publicación. En lo profesional, a Sergio Castro quien con mucha alegría y entusiasmo, acogió la idea de realizar el prólogo. En lo rutinario, también merecen recibir las gracias, todos aquellos que con su particular entusiasmo, prometieron su ayuda pero el tiempo se les fue y nunca cumplieron su oferta, entiendo sus prioridades y preocupaciones, pero esa palabra de ayuda en el momento preciso, también fue un aporte para este libro. En lo económico, a SIBELCO, quien sin su aporte probablemente este libro nunca habría sido impreso y publicado A Olivier y Luis de BP Global Group, que con entusiasmo y exigencia apuraron su publicación. A todos y cada uno de ustedes con especial afecto, recuerdo y un fuerte abrazo, les agradezco que hayan aportado a este: mi sexto, libro de la serie de cal como lo dice Sergio, en su prólogo. MUCHAS GRACIAS A TODOS.

LA CAL: CaO más alto implica ahorro de energía y agua. 1.

INTRODUCCIÓN………………………………………………………..

RESUMEN GENERAL DEL TEMA……………………………………

PROCESOS APLICADOS Y TÉCNICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL…………………………………………………………………...

COMBUSTIBLES PARA PRODUCIR CAL………………………..….

REFRACTARIOS PARA LA INDUSTRIA DE LA CAL…………..…..

HORNOS PARA PRODUCIR CAL……………………………….……

PROCESAMIENTO PARA CAL VIVA, EN LA DESCARGA DEL HORNO …..…......................................................................

DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE LA CALIZA…………………..…

PRODUCCIÓN DE CAL VIVA……………………………………….…

10.

PROCESAMIENTO, ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE LA CAL VIVA………………………………………………………….….

11.

MUESTREO Y CONTROL DE LA CAL VIVA……………………..….

12.

INDUSTRIA DE LA CAL…………………………………………….….

13.

APLICACIONES DE LA CAL……………………………………….….

14.

CAL HIDRATADA…………………………………………………….….

15.

LECHADA DE CAL………………………………………………….…..

16.

APLICACIÓN DE CAL SÓLIDA………………………………………..

134

17.

CONTROL Y PREVENCION DE LA CONTAMINACIÓN……….….. 139

18.

LEGISLACIÓN Y MONITOREO……………………………………….

160

19.

TECNICAS EMERGENTES PARA LA INDUSTRIA DE LA CAL…………………………………………………………………

161

20.

CONSIDERACIONES PARA ELEGIR UN HORNO DE CAL………

164

21.

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………….…. 188

PRÓLOGO Nuevamente Guillermo Coloma nos sorprende con su alta productividad de libros técnicos, al poner a disposición de la industria minera y otros sectores productivos su nueva obra: CaO MÁS ALTO IMPLICA AHORRO DE ENERGÍA Y AGUA. Guillermo Coloma es el especialista de mayor prestigio nacional de la industria de la cal. Ha estado vinculado a este sector por décadas y permanentemente atento a las necesidades del sector industrial. Ha impulsado avances técnicos relevantes para mejorar la calidad del producto y optimizar sus aplicaciones. Se desempeña actualmente en la compañía internacional SIBELCO, como Gerente de Aplicación de la Cal para Sud América, y antes ocupó un cargo similar en INACESA S.A. Por lo tanto, cuando Guillermo Coloma escribe sobre el tema de la cal lo hace con la autoridad que le otorga su amplio conocimiento y experiencia. Su motivación intelectual lo ha llevado a dedicar tiempo y esfuerzo a difundir generosamente sus conocimientos y esto se refleja también en su nueva obra. El presente libro se enmarca dentro de una serie de obras de Guillermo Coloma dedicadas a divulgar los fundamentos y aplicaciones de la cal en la industria minera, incluyendo los procesos ambientales. Otros títulos del mismo autor en la SERIE DE LA CAL son: “La Cal: Es un Reactivo Químico!” (2008); “La Cal en Procesos Metalúrgico y de Medio Ambiente” (2002) (CD interactivo); “La Cal en la Metalurgia Extractiva” (1995); y “La Cal en el Beneficio de los Minerales” (1991). A muchos les habrá llamado la atención el título del libro: CaO MÁS ALTO IMPLICA AHORRO DE ENERGÍA Y AGUA. No hay dudas que un aspecto clave para la industria minera actual es el desarrollo de procesos que ahorren energía y agua. La cal no está ajena a esta nueva visión, en particular la tecnología de preparación de lechada de cal, que es la forma usual para su dosificación a escala industrial. A través de este título el autor focaliza su atención en la relación existente entre la composición química de la cal y el consumo de energía y agua durante el proceso de preparación de la lechada de cal. El uso de cal con mayor contenido en CaO libre, implica menos cal cruda, menos cal requemada, y menos impurezas (arenilla o Grit). Esta calidad de cal permite preparar una lechada más concentrada y por ende ahorro de agua. Además, involucra ahorro de energía, porque tanto el tiempo de operación de la planta de preparación de lechada podría ser menor, como el esfuerzo de fluencia para el transporte hidráulico de sólidos requiere menos energía para alcanzar los puntos donde es aplicada. En esta nueva obra el autor actualiza los avances técnicos en torno a la producción, almacenamiento, transporte y aplicaciones de la cal en los procesos productivos, sus formas de uso, tales como, cal hidratada, lechada de cal y cal sólida. El libro contiene 21 capítulos, entre los cuales destacan: Procesos aplicados y técnicas para la producción de cal; Combustibles para producir cal; Refractarios para la industria de la cal; Hornos para producir cal; Procesamiento para cal viva en la descarga del horno; Descomposición térmica de la caliza; Producción de cal viva; 6

Procesamiento, almacenamiento y transporte de la cal viva; Muestreo y control de la cal viva; Industria de la cal; Aplicaciones de la cal; Cal hidratada; Lechada de cal; Aplicación de cal sólida; Control y prevención de la contaminación; Legislación y monitoreo; Técnicas emergentes para la industria de la cal; Consideraciones a tener en cuenta al elegir un horno de cal; Bibliografía Este nuevo libro de Guillermo Coloma está dedicado a lectores especializados con interés en la producción, caracterización y usos de la cal en procesos industriales. El énfasis está puesto en la industria minera, particularmente en las plantas de procesamiento de minerales. Es un libro de consulta que no debe faltar en la biblioteca de ingeniero de operaciones, investigadores de procesos, estudiantes universitarios de ingeniería, entre otros. La incorporación de los más recientes avances y tendencias, lo transforman en un texto de consulta permanente, conteniendo el estado-del-arte respecto a la producción y uso de la cal. Es un texto imprescindible en toda biblioteca personal, por lo cual lo recomiendo ampliamente. Sergio Castro Gerente Técnico Castro Ingeniería Ltda. & MinFlot-Lab. Investigador asociado del CRHIAM, Centro de Recursos Hídricos para la Agricultura y Minería, UdeC. (Ex Profesor del Departamento de Ingeniería Metalúrgica, UdeC).

INTRODUCCIÓN.

Cuando trabajamos para el lanzamiento del 4to libro de cal: “La Cal ¡Es Un Reactivo Químico!” el 21 de julio de 2008, Jorge Menacho, académico e industrial, quien hizo la presentación, me planteó la tarea de que el próximo libro debería estar dirigido a la cal para el medio ambiente o algo similar, que tuviera relación con su participación en las mejoras ambientales donde pueda ser útil. Cuando leí la presentación, que me hizo para el 4to libro, con el fin de enviarla a imprenta e incluirla en el mismo, debo señalar que me provocó cierto interés y durante algún tiempo estuve pensando en la forma que se podría abordar, pero no encontré manera de dar estructura a un escrito hacia ese tema. Posteriormente en el evento, ante la insistencia de Jorge, se me ocurrió hacerlo partícipe de la misma y le consulté: ¿Podemos hacerlo juntos?, su respuesta fue inmediata y entusiasta, “hagámoslo”. Ahí me di cuenta en el lío que me había metido, primero: ¿De qué manera o con qué consecuencia podría hablar de las virtudes de este reactivo en ese rubro?, si en su fabricación se está emanando a la atmósfera más del 40% del material que ingresa al horno como materia prima para su obtención. Por cada tonelada de cal producida, se emite al ambiente algo más de 360 kg de anhídrido carbónico que van en directo incremento al efecto invernadero. Ese sólo hecho, me bloquea mentalmente y no se me ocurren los temas a involucrar. De acuerdo al “World Business Council for Sustainable Development, la industria del cemento produce el 5% de las emisiones globales de CO2, de las cuales el 50% es derivado desde el proceso químico y el 40% desde la quema de combustibles fósiles, el remanente es dividido en el uso entre el transporte y la electricidad. Teniendo en cuenta que las emisiones globales de CO2 desde la industria de la cal, son cerca del 1%, basado sobre el hecho de que las plantas convencionales de cal producen entre 0,98 a 1,23 t de CO2 por tonelada de cal producida. La descomposición térmica del CaCO3 inevitablemente produce sobre 0,785 t. de CO2 por tonelada de cal. La cantidad de CO2 producida desde la combustión es entre 0,2 a 0,45 t. de CO2 por tonelada de cal, dependiendo de la fuente de combustible y la eficiencia térmica del horno de calcinación Dejé pasar tiempo para ver sobre que podría escribir en este nuevo libro. Posteriormente fueron surgiendo temas que -en esa época- creí que debería considerar, son: 1.1. Materias prima para su fabricación. 1.2. Formas de fabricación. 1.3. Tipos de productos a obtener. 1.4. Uso en procesos químicos, mineros y metalúrgicos. Con el punteo anterior, se generó que había que escribir sobre: 1.5. Materias primas:

1.5.1. Generación de material particulado y generación de ruidos 1.6. Procesos: 1.6.1. Generación de CO2 y generación de material particulado 1.7. Usos: 1.7.1. Aplicaciones que puede tener el catión calcio y el grupo oxhidrilo en forma separada por sí solos o actuando en conjunto. 1.8. Emisiones. Con esta información se podía iniciar la recopilación de datos y antecedentes que permitiese avanzar con la elaboración del libro. Sin embargo, como todo en la vida cambia, y el tiempo inexorablemente avanza, generé cambios radicales en mi vida laboral y personal, después de 38 años renuncié a mi trabajo en cal y busqué nuevas opciones para desarrollar, tuve muchas oportunidades, entre ellas empresas de cal de clase mundial, que producen un reactivo de mayor calidad me ofrecieron proyectos interesantes que me llevaron a enrolarme en una de ellas, SIBELCO, con un paso previo por otra que me permitió darme cuenta que mis conocimientos sobre el reactivo cal, no estaban distanciados de lo que estudian, analizan y proponen los profesionales que han dedicado gran parte de su vida a la cal en los países desarrollados, donde hay productores con más de 150 años de historia en cal. Lo anterior me abrió los conocimientos hacia productos más nobles, con respuestas reales de reactivo químico, donde la presión, temperatura, concentración, son variables que otorgan ventajas considerables en la aplicación del producto, lo que avalaba el nombre que caprichosamente le puse al libro que publiqué el año 2008 “La Cal ¡es un reactivo químico! Por lo que me propuse reorientar mis escritos hacia la enseñanza en la base de la tecnología para producir cal, en la forma para preparar y controlar la lechada de cal y en el aporte que han realizado, en otras partes fuera de Chile, fabricantes de cal respecto al medioambiente. De allí nace este libro LA CAL: CaO más alto implica ahorro de energía y agua, en el cual mediante una buen manejo de la materia prima, una aplicación apropiada de la energía para producir la cal, el uso y aplicación del producto en forma adecuada y controlada son ingredientes básicos para ahorrar los bienes más preciados en la actualidad, agua y energía.

RESUMEN GENERAL DEL TEMA.

Generalmente la materia prima para fabricar cal es la caliza calcítica, en menor grado la dolomita o caliza dolomítica. La dolomita y la caliza dolomítica son mezclas de carbonato de calcio con sobre el 44% de carbonato de magnesio. Mientras que los depósitos de caliza son abundantes en la corteza terrestre, sólo una pequeña porción son satisfactorios para extracción comercial. La caliza altamente pura y la dolomita son transportadas, chancadas o reducidas de tamaño, y en algunos casos lavadas, en otras harneada y transportada al horno. La caliza es normalmente sacada desde la superficie, de una cantera generalmente adyacente a la planta de cal, pero en algunos casos es dragada o sacada desde mina subterránea, minada y usada. Un diagrama básico del modelo de procesamiento de la cal es el siguiente:

H2O

Calor

CaCO3

CO2 CO2 Ca(OH)2

CaO + Impurezas

Calor

H2O

Figura 1. Ciclo natural de la caliza

Este ciclo natural es una demostración clara de la inexistencia de cal viva o hidratada en este proceso, sin la intervención humana para su obtención como producto final. Entonces el proceso de fabricación de cal, consiste en quemar o calcinar carbonatos de calcio y/o magnesio a una temperatura entre los 900 a 1500 °C, la que es suficiente alta para liberar el dióxido de carbono, y obtener el óxido correspondiente MCO3 + Calor

MO + CO2

M = Calcio, Magnesio, o mezcla de ambos

Para algunos procesos, es necesario aplicar temperaturas significativamente altas, como es el caso de la cal dolomítica quemada a muerte. En el caso de la cal calcítica, el producto, óxido de calcio, obtenido desde el horno, generalmente es chancado, molido y harneado antes de ser almacenado. Desde el almacenamiento, la cal quemada es entregada al usuario final para uso como cal viva o bien transferida a una planta de hidratación donde se hace reaccionar con agua para producir hidratos de cal o cal apagada. Generalmente, a excepción de procesos pirometalúrgicos, la cal se utiliza como cal hidratada, ya sea en polvo, masilla, o lechada de cal, depende de la relación agua:cal, en la mezcla. Por lo tanto, las operaciones unitarias involucradas en la fabricación de cal son: 2.1. Obtención de caliza. 2.2. Almacenamiento y preparación de la caliza. 2.3. Preparación y almacenamiento de los combustibles. 2.4. Calcinación de la caliza. 2.5. Proceso para cal viva. 2.6. Almacenamiento, manejo y transporte. 2.7. Hidratación y apagado de cal viva.

PROCESOS APLICADOS Y TÉCNICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE CAL.

Esta parte, en que se analizan algunos puntos a considerar que permitan la elección del horno apropiado, para la fabricación de cal y que pueden ser discutibles, han sido abordados teniendo presente, entre muchos otros, el artículo “comparación de hornos de cal” presentado originalmente en 1992, en la reunión de operadores de la National Lime Association de Estados Unidos por Daniel Sauers cuando se desempeñaba en el departamento de procesos de ventas de Fuller Co.; Neal Biege Sr, Gerente General de la división de cales para papel y desulfurización de gases de Fuller; y Diana Smith gerente de aplicaciones de Fuller. En el cual ellos realizan una descripción detallada del comportamiento de la tecnología, gastos de inversión y operación, exigencias del tamaño de la caliza de alimentación, la calidad del producto, emisiones ambientales y exigencias de combustibles en 4 hornos de distinto tipo, lo que fue una guía para incorporar temas que ellos no abordaron, que permitieron realizar una descripción más generalizada del tema. Materias primas para la calcinación de cal (caliza, combustible y refractarios): La caliza, el combustible y el revestimiento refractario, usados para calcinar cal, deben ser seleccionados cuidadosamente en el contexto del diseño del horno y la calidad requerida para el producto final, cal viva. Para una instalación nueva, el suministrador del horno debe ser capaz de testear y valorar convenientemente la materia prima. 3.1.

La caliza:

El mineral de caliza, es una roca sedimentaria producida en forma natural que, generalmente, está compuesta principalmente de carbonato de calcio CaCO 3. La piedra caliza se encuentra en muchas formas y es clasificada en términos de su origen, composición química, estructura y formación geológica. De acuerdo a lo anterior, la cal propiamente tal, no se encuentra en la naturaleza, como óxido, se encuentra como carbonato en las calizas. La cal viva calcítica (CaO) es un material que se obtiene de la descomposición térmica del carbonato de calcio. La cal calcítica hidratada (Ca(OH)2 es un material que se obtiene de la hidratación con agua de la cal viva. 3.1.1. Sedimentación del carbonato de calcio: El carbonato de calcio sedimenta como depósitos de caliza por tres tipos de procesos. a) Proceso químico: precipitación del carbonato de calcio desde una solución, bajo condiciones adecuadas de concentración, presión y temperatura. b) Proceso biológico: absorción del carbonato de calcio desde soluciones, por algunas células que contienen organismos vegetales o animales que son capaces de concentrarlo, para posteriormente depositarlo en forma de esqueleto o concha.

c) Proceso clástico: destrucción física de los sedimentos calizos formados por alguno de los procesos anteriores y que fueron redepositados en algún lugar, ya sea por congelación, deshielo, erosión, etc. Una vez depositados, han estado sujetos a cambios, primero se acomodaron, luego se comprimieron y compactaron bajo presión, y al ser expuestos a altas temperaturas, seguramente les cambio la estructura, se produjo la recristalización y resultaron una gama de depósitos calizos. 3.1.2. Existencia de la caliza: Existen tres factores interrelacionados que han tenido gran influencia sobre la existencia de la caliza: a) Clima, que puede influenciar en la velocidad de depositación del carbonato. b) Geotecnia, influye directamente en tres caminos, desplazamiento continental, asentamiento y levantamiento regional. c) Nivel del mar, su variación. 3.1.3. Caracterización físico química de las calizas: Estas dependen ampliamente por la vía que son formadas, por el ambiente sedimentario y por los cambios a través del paso del tiempo. 3.1.4. Propiedades físicas: a) Peso molecular: dolomita (CaCO3MgCO3) 184,41 gr/mol; calcita y aragonita (CaCO3 100,09) y Magnesita (MgCO3 84,32). b) Color: depende del nivel y naturaleza de las impurezas. Blanco alta pureza y aragonita; gris sombrío presencia de material carbonoso o sulfuro de hierro (FeS); amarillo, crema y rojizo, presencia de Hierro (Fe). Flúor (F) y Manganeso (Mn). c) Olor: a humedad o terroso. d) Textura: cristales de tamaño de grano de 4 m – 1.000 m. e) Estructura cristalina: calcita y dolomita, romboédrico; aragonita, rombo. f)

Gravedad específica: (20°C) calcita 2,72 gr/cm3; aragonita 2,94 gr/cm3; dolomita 2,86 gr/cm3.

g) Porosidad: depende del grado de compactación y estructura 0,1 – 2 % para el mármol; 0,1 – 30% para la caliza ; 15 – 40% para tiza; 1 a 10% para dolomita; y por sobre 50% para marga. h) Adsorción de agua: depende de la porosidad, distribución del tamaño del poro y nivel de materia carbonatada. Caliza densa 0,4% en peso de agua y tiza 20%.

Densidad aparente: es función de la porosidad, densidad del cristal y cantidad de agua en los poros. Caliza seca 1,5 – 2,3 gr/cm3; caliza de alta densidad mayor que 2,7 gr/cm3; caliza dolomítica 2,7 – 2,9 gr/cm3.

Densidad másica: depende de la densidad aparente, distribución de tamaño y forma de las partículas; 1.400 – 1.450 kg/m3.

k) Ángulo de reposo: 35 – 45°, con mucho fino 90°. Depende de la humedad, limpieza y harneado. l)

Resistencia a la compresión: 10 MN/m2 para marga y tiza; 200 MN/m2 para el mármol.

m) Dureza: 2 – 4 mohs. n) Resistencia a la abrasión: medida por valor agregado y pulido 4 – 10 kw hr/t. o) Calor específico: 0,22 cal/gr °C (20-100°C). En todo caso según J. A. H. Oates, el calor específico de la calcita es: T °C

Calor Específico cal/g.°C

0,191

200

0,239

400

0,270

600

0,296

800

0,322

Tabla 1: calor específico de la caliza

p) Conductividad térmica: depende de la porosidad y la estructura. K disminuye al aumentar la temperatura. q) Velocidad de sonido: 3.810 m/seg. r)

Claridad: importante para textiles y pinturas, como el blanco 75 – 95.

3.1.5. Propiedades químicas: a) Estabilidad: aragonita pseudo estable; calcita meta estable. b) Solubilidad en agua libre de CO2: calcita 14 mg/lt a 25°C, 18 mg/lt a 75°C; aragonita 15,3 mg/lt a 25°C, 19 mg/lt a 75°C. c) Reacción con CO2: CaCO3 + H2O + CO2  Ca(HCO3)2; MgCO3 + H2O + CO2  Mg(HCO3)2. d) El pH en agua: calcita 8 – 9; dolomita 9 – 9,2. e) Reacción con ácidos diluidos: reaccionan de buena forma y son buenos neutralizadores de ácidos.

Calor de reacción con ácidos: con ácido clorhídrico (HCl) 4.495 cal/mol o 18.8 kJ/mol.

g) Reacción con gases ácidos: con ácido clorhídrico (HCl) y ácido fluorhídrico (HF) reacciona favorablemente. h) Descomposición térmica: CaCO3 + calor 

CaO + CO2; 1.781 kJ/kg a 25 °C; 1.686 kJ/kg a 90°C;

MgCO3 + calor  MgO + CO2; 1.439 kJ/kg. a 25°C, 1.362 kJ/kg. a 700°C. 3.1.6. Impurezas en las calizas: Los niveles de impurezas y arrastres de elementos tienen influencia sobre la conveniencia para varias aplicaciones del producto obtenido. a) La inclusión de material no carbonatado en la depositación: organismos en descomposición y partículas de arcilla, limo y arena, son impurezas homogéneas, que por lo general no pueden ser removidas por extracción selectiva ni por lavado. b) Corto tiempo de depositación de sedimentos terrígenos: pueden interrumpir la producción de carbonato y crear una capa dentro de la caliza. Estas impurezas son heterogéneas y son removidas por lavado y/o harneado. c) Transferencia de sólidos en suspensión del agua y elementos disueltos: Las arcillas, limos, arenas y elementos como Magnesio (Mg); Azufre (S); Flúor (F); Hierro (Fe); y otros metales pesados contenidos en el agua son traspasados a la falla. Los elementos disueltos pueden ser transportados desde la falla al depósito a través de las grietas y poros en la caliza. Dependiendo de la concentración, pueden ser evitados por extracción directa. d) El carbonato de magnesio no es considerado una impureza no deseable. 3.1.7. Prospección de calizas: La prospección, está dividida en tres actividades: a) Planificación: Se deben tener cuatro consideraciones: a1)

Establecer el tamaño y calidad mínimo aceptable del depósito. Depende del tamaño, para una máxima extracción en un tiempo mínimo con el fin de obtener un retorno aceptable sobre la inversión.

a2)

Información geológica del yacimiento implica recopilar datos químicos y físicos de los depósitos en los organismos gubernamentales.

a3)

Información de permisos gubernamentales y sociales.

a4)

Geografía e infraestructura.

b) Inspección de yacimiento: Se debe tener información mediante una consultoría de geología. La cantidad del yacimiento explotable depende de: b1) La información inmediata del depósito. b2) El tamaño mínimo aceptable. b3) El capital de inversión para el desarrollo. b4) La probable complejidad geológica del depósito. Esto implica reducir la incertidumbre acerca de las características geológicas del depósito en su núcleo, tamaño, etc. c) Interpretación del yacimiento y resultado de pruebas: Reporta el volumen explotable, cuando y como se hace la extracción. Remoción del estéril, el perfil del perímetro del yacimiento, accesos, ubicación de la planta. Es decir, todo acerca de la explotación. 3.1.8. Extracción: Está dividida en cinco operaciones básicas: a) Remoción del exceso o estéril. b) Perforación de acuerdo a las propiedades de la roca. c) Tronadura (2 ó más tipos de explosivos). d) Carguío, la selección es de acuerdo a los equipos y las mejores condiciones para el rompimiento primario. 3.1.9. Transporte: referido al transporte a la planta de procesos. Es el costo más elevado. 3.1.10. Preparación, procesamiento y almacenamiento de la caliza: La caliza es triturada en un rango de tamaño apropiado, normalmente entre 5 a 200 mm depende del tipo de horno utilizado. En el caso de hornos rotatorios, generalmente, la relación de tamaño es entre 1 a 2 ó 1 a 3, es así como se utilizan tamaños entre 6 y 15 mm o entre 15 y 50 mm. El chancado primario, dependiendo de la malla de explotación de la caliza, puede recibir rocas mayores a un metro de diámetro para reducirlas en su tamaño por debajo de los 100 a 250 mm. La roca chancada desde el chancador primario es transportada mediante correas transportadoras a harneros vibratorios, donde se separan los tamaños gruesos de los finos, los gruesos son reciclados al chancador y los finos o los que pasan la malla del harnero son usados como carga para el horno.

Si se requiere una mayor disminución de tamaño de la roca, ésta puede ser alimentada en un chancador secundario localizado aguas abajo de la línea de proceso. El chancador secundario entrega tamaños entre 10 a 50 mm., los que después de harneado son transportados con correa transportadora y/o elevadores de capacho a los silos de caliza o a los compartimentos de almacenamiento previo a la alimentación del secador o precalcinador del horno de cal. Dependiendo de la naturaleza de la roca (dureza, laminación, tamaño, etc.) se utilizan varios tipos de reducidores de tamaño o chancadores, tales como: de mandíbulas; giratorios; de impacto; de cono; de rodillo; etc. Como la carga del horno no tiene que contener muchos finos, lo de mandíbulas, de impacto, de martillo son también utilizados como chancadores secundarios. Algunas veces las plantas de chancado están localizadas cerca de la cantera y son móviles Para remover en forma natural algunas impurezas, tales como: sílice, arcilla, y partículas muy finas de caliza, el material puede ser sometido a etapas de lavados. Este lavado ayuda el proceso de calcinación porque deja espacios libres entre la roca y el aire circulante. Esto reduce los excesos de aire y permite un ahorro de energía eléctrica. Se han desarrollado técnicas para el apilamiento de la caliza que mejoran la limpieza. Proteger el tamaño de la caliza y almacenarla en sitios cerrados asegura mejor su calidad. En un número limitado de instalaciones (por ejemplo, donde el carbonato de calcio esta en forma de pulpa o queque filtrado, industria de celulosa) es necesario alimentar el material seco, esto generalmente obliga a utilizar calor suplementario desde los gases de salida del horno, para su secado. 3.1.11. Despacho de la caliza: Existen dos operaciones principales: a) Almacenamiento y carguío. b) Transporte. El costo de producción de la caliza es relativamente barato, por eso el costo de transporte a menudo suele ser el 50 % o más del precio entregado. Esto es, por lo tanto, esencial para seleccionar el mayor costo efectivo de transporte con el fin de mantener un precio de venta competitivo. 3.1.12. Muestreo y pruebas de la caliza: El muestreo puede ser hecho por varias razones, entre otras: a) Visualización, para la valorización del depósito. b) La evaluación del producto, para control de calidad y monitoreo de acuerdo con alguna especificación a cumplir. Las pruebas a que son sometidas las calizas, pueden ser mecánicas, físicas, térmicas, de deterioro, químicas, o sobre características generales de la caliza.

3.1.13. Pruebas o ensayos a realizar para caliza seleccionada: Cuando se selecciona una caliza para la producción de cal viva, se deben realizar las pruebas necesarias para asegurar que esta es conveniente en todo aspecto. En efecto en el contexto de los actuales requerimientos para la cal viva, sólo una pequeña porción del depósito es conveniente para pruebas de calcinación. Se deben tener las siguientes consideraciones: a) Resistencia a la fuerza y abrasión de la caliza: la caliza deberá ser la adecuada para resistir las fuerzas físicas tanto en la manipulación como en el horno. La producción de finos por trituración y abrasión tiende a reducir la porosidad del lecho de la caliza en el horno, por ello se incrementa la caída de presión en el eje del horno y se reduce la velocidad de transferencia de calor en la rotación del horno. b) Degradación térmica de la caliza: esta ocurre por tres razones. b1) Hay calizas que crepitan a temperatura cercana a los 900°C. Las causas de la crepitación están relacionadas con el efecto del calor sobre los cristales, en donde existe una mayor crepitación en cristales más grandes. b2) Algunas calizas están propensas a romperse o disgregarse si se exponen a ciclos térmicos (cambios en el flujo paralelo del horno). b3) Otras calizas se degradan en la calcinación. La degradación disminuye la porosidad del lecho y puede tener efectos adversos en la calcinación y enfriamiento de la cal. Además se incrementa la producción de finos, lo que reduce la producción de productos de mejor valor en selección. c) Velocidad de calcinación: la velocidad de calcinación de diferentes tipos de caliza, bajo idénticas condiciones de calcinación, puede variar notoriamente, por lo que se requiere una larga zona de calcinación y/o altas temperaturas en esta zona. d) Reactividad en el producto: para idénticas condiciones de calcinación y distintos tipos de calizas, se pueden obtener productos con diferentes capacidades de reactividad. Aunque la diferencia en reactividad puede no ser significativa en muchas operaciones, ella puede afectar la conveniencia para ciertas aplicaciones. Las causas más importantes son diferentes, como la velocidad de calcinación, el efecto de las impurezas y la microestructura del producto obtenido e) Contenido de CaCO3, MgCO3 e Impurezas de las calizas: La pureza de la caliza calcítica, CaCO3 (> 97%) es una ventaja en algún producto final obtenido, para otros no es esencial. El Carbonato de Magnesio, MgCO3, en algunas aplicaciones de la cal, adquiere importancia como impureza (por ejemplo: cal para construcción, cal para carbonato de calcio precipitado, etc.), mientras que en otros es considerado como un

ingrediente activo, algunas pruebas aseguran que el Magnesio resultante en el producto es reactivo (cal para aplicación en minería, siderurgia, etc.) Los límites de impurezas son específicos para cada aplicación de la cal obtenida, quizás el más exigente es para la aplicación en tratamiento de aguas (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO2, Sb, As, Cd, Cr, Pb, Hg, Ni y Se). Presencia de altos niveles en sodio y potasio (Na y K) en la caliza, pueden volatilizarse y contribuir a la formación de obstrucciones (anillos) en el diámetro útil de los hornos rotatorios, disminuyendo su rendimiento. Altos niveles de sílice (SiO2), aluminio (Al) y óxido de fierro (Fe2O3), pueden causar la fusión principal de la horquilla en el horno, y una serie de problemas mecánicos que repercuten en la operación. f)

Distribución de tamaño de partícula: la distribución de tamaño puede ser compatible con el horno. Se requieren partículas que puedan tener una razón de tamaño de 2:1 hasta 3:1 en el harneado. Si no se cumple, producen problemas en la calidad del producto obtenido. Partículas más grandes recibirán menos calor y quedarán con un núcleo sin calcinar ni disociado y partículas más pequeñas serán requemadas, provocando tardanza en la hidratación del producto para su uso final.

g) Forma de las partículas: aunque depende directamente del tipo de chancador utilizado para la trituración, nunca se presentará una forma geométrica única, siempre habrán distintas formas. h) Limpieza: se debe tener en cuenta que se requiere un producto con bajos niveles de trozos pequeños de piedra inerte, sin calcinar, contaminación de la superficie de las partículas con arcillas y trozos de arcillas presentes.

COMBUSTIBLES PARA PRODUCIR CAL.

La industria de la cal es altamente consumidora de energía, ésta suma sobre el 40% de los costos totales de producción. Los hornos queman combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. El uso de gas natural ha crecido substancialmente en los últimos años. La tabla muestra la distribución de los tipos de combustibles utilizados en Europa hace más de 15 años atrás: Gas Natural Carbón, incluye coque, lignito y coque de petróleo Aceite Otros

48% 36% 15% 1%

Tabla 2: combustibles. Fuente: (Cement and Lime Manufacturing Industries [EuLA])

Las principales descargas en la producción de cal son hacia la atmosfera, estas dependen desde la particular composición química de las materias primas y los combustibles utilizados. Significativas descargas de partículas pueden ocurrir desde cualquier parte del proceso, particularmente del hidratador. Las emisiones significativa potenciales desde la planta de cal incluyen: monóxido de carbono, dióxido de carbono, (CO, CO2) óxidos de nitrógeno, (NOx), dióxido de azufre (SO2) y polvos. Una vez obtenida, analizada, clasificada y definida la caliza que sirve para producir algún tipo de cal, se requieren combustibles para producir el calor necesario, que genera la disociación del carbonato correspondiente en el material y obtener el oxido adecuado para cada aplicación y uso. 4.1.

Combustibles:

En la calcinación se puede utilizar un combustible en particular o bien una mezcla de ellas formando una matriz de los mismos. Para la elección del combustible o de la matriz de ellos, que será o serán utilizados por el horno en la operación de calcinación, es importante tener en cuenta las siguientes consideraciones. a) Costo del combustible o de la mezcla de ellos por tonelada de cal producida. Este costo puede ser significativo en los costos de producción. b) Un combustible o una mezcla de ellos, inapropiada, puede provocar problemas operacionales. c) La matriz de combustible o el combustible en particular, puede influenciar de manera importante la calidad de la cal en el nivel de CaCO3 de la cal, en la reactividad y en el contenido de impurezas asociadas. d) Los diferentes combustibles tienen un impacto importante en el medio ambiente a causa de la emanación de sus gases emanados.

4.2.

Preparación y almacenamiento de combustibles:

Como se mencionó anteriormente, la industria de la cal es altamente consumidora de energía y tiene una incidencia por sobre el 40% de los costos totales de producción. Los hornos queman combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. El uso de gas natural fue utilizado algún tiempo en Chile. En la calcinación de la caliza, el combustible provee la energía necesaria para provocar la disociación del carbonato y la generación de la cal. Este también interactúa con el proceso, y los productos de combustión reaccionan con la cal viva. Se utiliza una variedad de combustibles en los hornos de calcinación de calizas, los más comunes en los Estados Unidos de Norteamérica son el gas natural; carbón; petcoke o coque de petróleo; y petróleo. En Argentina, el uso de gas, carbón o coque de petróleo es estacional mayoritariamente en verano se utiliza el gas y en Chile el carbón; el coque de petróleo; y aceites usados. Muchos hornos pueden operar con uno o más combustibles, incluso con mezclas de ellos, pero algunos combustibles no pueden utilizarse en ciertos hornos. El combustible marcadamente afecta el calor utilizado, el rendimiento y la calidad del producto. Algunos combustibles requieren una línea especial de ladrillos refractarios. La elección de o de los combustibles para la operación de calcinación de la caliza es importante por las siguientes razones: a) El costo del combustible por tonelada de cal puede representar entre el 40 a 50% del costo de producción. b) Un combustible inapropiado puede provocar mayores costos de operación, y c) El combustible puede influir en la calidad de la cal, notablemente el nivel de anhídrido carbónico residual, la reactividad y el contenido de azufre. En resumen, la elección del combustible puede afectar los niveles de emisión del CO2, CO, polvo, SO2 y NOx, todos ellos tienen un impacto al medioambiente. El combustible podría ser preparado como es requerido para inyectarlo al sistema, el que puede ser encendido directo o indirectamente. En el caso de combustibles sólidos, esto involucra tener el tamaño de partícula apropiado para el manejo del sistema instalado, en el caso de combustibles líquidos y gaseosos, se requiere la presión adecuada para mantener la temperatura requerida.

REFRACTARIOS PARA LA INDUSTRIA DE LA CAL.

Este revestimiento debe suministrar una adecuada operación respecto a: a) Resistencia a la abrasión. b) Resistencia a los esfuerzos mecánicos. c) Resistencia a golpes térmicos. d) Resistencia a golpes químicos. La correcta selección del revestimiento más apropiado va de la mano con el costo de instalación y debe asegurar una óptima operación.

HORNOS PARA PRODUCIR CAL.

Los hornos son equipos que otorgan las condiciones apropiadas, para generar la reacción de disociación del carbonato contenido en la caliza, con el fin de eliminar el CO2 contenido en ella y dejar el óxido de calcio correspondiente en un grado de calcinación tal, que permita al óxido de calcio posteriormente desarrollar su máximo potencial cuando sea mezclado con agua para su utilización. 6.1. Calcinación de la caliza: Este tema, que se desarrollará más adelante, está basado en que el quemado de la caliza involucra generalmente los siguientes procesos: a) Proveer el calor suficiente, por sobre los 900°C, a la caliza para producir la descarbonatación o disociación y b) Mantener la cal viva por el tiempo suficiente a alta temperatura (generalmente en el rango de 1.200 a 1.300°C para ajustar la reactividad) Por los diferentes lugares que me ha tocado visitar y sobretodo en la época en que comenzamos a caminar por la senda de la cal, 1985, muchas técnicas y diseños de hornos he visto que han sido o son utilizados, algunos con herencia familiar que han acumulado algunos siglos de operación, específicamente de tipo artesanal, aunque la comercialización de hornos de cal en los últimos años ha sido dominada por un número relativo pequeño de diseños. Para elegir el horno apropiado dependerá sustancialmente de las propiedades de la caliza, tales como dureza, antes y después del quemado, generación de polvo y calidad del producto son los factores más relevantes a considerar en la tecnología de calcinación Muchos productores de cal operan dos o más tipos de hornos, usan diferentes tamaños de alimentación de caliza, y producen calidades distintas de cal. El calor transferido al quemado de la caliza puede ser dividido en tres etapas: zona de precalentamiento, zona de calcinación y zona de enfriamiento, que se verán más adelante. La mayoría de los hornos comúnmente utilizados, están basados en cuba vertical o diseño rotatorios. Son muy pocos los que están basados en principios distintos. Todos los diseños de hornos incorporan el concepto de las tres zonas indicadas. Considerando que los hornos de cuba vertical, usualmente incorporan una zona de precalentamiento, algunos otros hornos de cal, comúnmente denominados rotatorios y hornos de cama fluidizada, son operados hoy en día en contacto con precalentadores separados. Hay dos tipos de precalentadores en uso, cuba vertical y de parrilla. Muchos sistemas de hornos están caracterizados por un contador de corriente del flujo de sólidos y gases, los que tienen implicancias en la descargas de contaminantes. 23

Los distintos tipos de hornos utilizados para producir cal y una pequeña reseña de su operación o característica principal, se indican en las páginas siguientes: 6.2. Hornos verticales: a) Hornos de hoyos en tierra o cerros, también denominados “Romanos”: La demanda de distintas calidades de la cal viva de hoyos en tierra o cerros ha crecido rápidamente desde 1950. Estos hornos, en Chile, hasta el año 1985 – 1987 aún era posible encontrar operando en Chile, actualmente (2010) sólo quedan unos pocos produciendo en la región de Coquimbo y los que habían sólo quedan ruinas de ellos. Sin embargo tanto en Colombia, Bolivia, Perú, y Argentina aún son muy utilizados, existiendo centenares de ellos en forma activa produciendo cal. Hay sectores sociales dedicados a la producción de cal en estos tipos de hornos, en Argentina se encuentra el sector de “Los Berros “ en San Juan. Mientras que en Perú está el sector de “Sacrafamilia” en Cerro de Pasco. En cada uno de estos lugares hay más de 100 hornos de este tipo.

Fotografía 1: Diario El Comercio, Perú, 22/08/2009: En medio de un insoportable calor, los operarios atizan el fuego de los hornos, sin ninguna protección para sus vidas expuestas día a día (Foto: Luis Porras Artica).

Horno 3

Horno 4

Horno 5

Horno 2 Horno 1

FotografĂa 2: Los hornos una vez cargado con caliza y combustible, se tapan con planchas de zinc, para evitar que el agua lluvia ingrese a ellos y afecte la cocciĂłn de la cal

FotografĂa 3: Parte inferior de lo hornos artesanales, zona de descarga de cal

b) Horno Cuba Vertical: Los mayores problemas con estos hornos tradicionales son la obtención de calor uniforme y el movimiento de la carga por la cuba. El combustible es inyectado por una pared, usualmente no penetra más de un metro dentro de la cama condensada. Esto limita el ancho o diámetro del horno hasta 2 metros. Se puede alcanzar la descarga de calor uniforme en cubas verticales más grandes, si es que: b1) Se utiliza la mezcla como técnica de alimentación b2) Se utiliza lanzas o quemadores centrales b3) Inyectando el combustible por toberas que permite una penetración en el horno aproximada a un metro. b4) Inyectando combustible debajo de los arcos, o b5) Inyectando aire o gas reciclado sobre el combustible. En general, los hornos con cuba vertical, tienen un uso relativamente bajo de calor o de una transferencia de calor eficiente entre los gases y la cama condensada. Sin embargo, retienen la mayor parte del azufre contenido en el combustible, por lo tanto son útiles. Si se necesita producir cal con bajo contenido de azufre, entregan un producto con moderada reactividad y un contenido relativamente alto de material crudo, CaCO3. Diseños modernos incorporan rasgos que entregan alta reactividad y la cal producida tiene un menor nivel de material crudo. Tienen un solo punto de carga de material crudo, esto puede provocar problemas en la operación del mismo: El material grueso tiende a girar hacia abajo por las paredes cónicas de la pila, mientras que las fracciones finas o más pequeñas se concentran a los largo de la cuba del horno. Como consecuencia, se obtiene un aumento en la resistencia al flujo de los gases del horno, desde un nivel alto alrededor de la cuba central, bajando progresivamente hacia las paredes. Esto da por resultado una gran reducción del flujo de gases directamente desde la parte central del horno y una parte de la carga tenderá a quedar semicruda. Una variedad de aparatos han sido desarrollados para mitigar este efecto y para minimizar la asimetría en el sistema de carguío. Inevitablemente los finos tienden a concentrarse en ambos lados de la línea central del chute de alimentación, pero el efecto en la operación del horno es pequeño. El depósito alimentador rotatorio y el sistema de campanas son más sofisticado y producen ambos, un perfil uniforme y una mejor dispersión de finos, en un anillo angular alrededor del horno.

Figura 2: Horno de cuba vertical

En todo proceso de combustión hay un aire óptimo para la proporción de combustible que entrega la más alta eficiencia de combustión. Una proporción más baja que el óptimo produce combustión incompleta e incrementa los niveles de monóxido de carbono. Mientras que una razón más alta, los productos de combustión son diluidos y enfriados por la cantidad adicional de aire. Combustión en camas condensadas en hornos verticales es particularmente problemático, bajo estas condiciones, el mezclado de combustible gasificado y el aire es más dificultoso. Desde el punto de vista de la eficiencia de combustión, el combustible y el aire podrían, idealmente, ser distribuido uniformemente a lo largo de la cuba. Sin embargo, indiferente del sistema de encendido, ocurren variaciones en la proporción combustible aire.

Varias técnicas han sido usadas para moderar la temperatura en la zona de calcinación. El uso de una deficiencia global de aire puede ser efectiva, pero incrementa el uso de combustible y puede causar la emisión de humos obscuros. La recirculación de los gases del horno se hace con algunos hornos, para moderar la temperatura de éstos, particularmente a las paredes. En hornos de cuba anular y flujo paralelo regenerativo, parte o todos los gases de combustión pasan por debajo de la cuba en flujo contracorriente con la cal. Esto entrega como resultado una temperatura comparativamente baja. Éste da por resultado una temperatura relativamente inferior en la sección terminal de la zona de calcinación. c) Hornos con cuba vertical de lecho mixto: Estos hornos usan calizas con tamaño granulométrico máximo entre 50 a 150 mm y una proporción de tamaño aproximado de 2 es a 1. El combustible más utilizado comúnmente es uno de grado denso de carbón con baja reactividad y bajo contenido de ceniza. El tamaño del carbón es un poco más pequeño que el tamaño de las rocas de caliza, de manera que se mueve bastante más en lugar de fluir por las cavidades. La caliza y el carbón están mezclados y cargados dentro del horno para minimizar la segregación. La calidad de la cal viva tiende a ser moderada, la reactividad sigue siendo considerablemente baja que la obtenida en hornos rotatorios, al igual que el nivel de cal cruda, CaCO3. La retención de azufre desde el combustible es alta.

Figura 3: Horno con cuba vertical de lecho mixto

Horno de doble cuba inclinado:

Este horno es esencialmente rectangular con secciones cruzadas, en la zona de calcinación incorpora dos secciones inclinadas, opuestas entre sí, que crean espacio mediante arcos suspendidos fijos, debido tanto al ingreso del aire de combustión precalentado como de combustible, el encendido es en la cámara de combustión. El aire frío es incorporado en la base del horno donde es precalentado, retirado y reinyectado por la cámara de combustión. Los tortuosos caminos para ambos, los gases y la carga, acompañados con el encendido por ambos lados, aseguran una distribución eficiente del calor. Un rango de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos pueden ser utilizados, aunque ellos podrían ser seleccionados con cuidado para evitar una excesiva altura de la estructura, causada por el combustible, ceniza y depósitos de sulfato de calcio. El horno puede producir un reactivo con menos material crudo o carbonato.

Figura 4: Horno de doble cuba inclinado

e) El horno de cuba multicámara: Este es un progreso del horno de doble cuba inclinado. Consta de 4 o 6 secciones inclinadas alternadamente en la zona de calcinación, cada uno opuesta, las cuales permiten un desplazamiento arqueado. Los arcos sirven para el mismo propósito como en el horno de doble cuba inclinado. El aire frío es precalentado por la cal en la zona de enfriamiento y es retirado, desempolvado y reinyectado por medio de las cámaras de combustión. Una característica, de este horno, es que la baja temperatura de la cámara de combustión puede variarse, para controlar la reactividad de la cal sobre un amplio rango. El horno puede ser encendido con combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, o una mezcla de ellos. f) Horno de cuba anular: La mayor característica de este tipo de horno es su cilindro que en la zona central restringe el ancho, por lo que junto a los arcos para la combustión y la distribución de gases asegura una buena distribución del calor.

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Figura 5: diagrama descriptivo del movimiento de aire y gases al interior del horno

g) Principio de funcionamiento del horno de cuba anular (Maerz) La columna central también permite que parte de los gases de combustión de los quemadores inferiores, se desvíen hacia abajo de la cuba y se introduzcan por atrás dentro de la cámara inferior. Este reciclamiento modera la temperatura de los 30

quemadores inferiores y asegura que el estado final de calcinaci贸n ocurra a baja temperatura. Ambos efectos ayudan para asegurar un producto con un bajo contenido de material crudo, (caliza o CaCO3), y una alta reactividad. Este horno puede ser encendido con gas, petr贸leo o combustibles s贸lidos. Los gases de la descarga tienen una alta concentraci贸n de CO2.

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Figura 6: Horno de cuba anular, (Maerz)

h) Horno regenerativo de flujo paralelo o Maerz: El horno regenerativo de flujo paralelo o Maerz tiene como característica distintiva, que interconecta dos cubas cilíndricas. Los primeros diseños tienen tres cubas, mientras que otras tienen cubas rectangulares, pero los principios de operación son los mismos, este tipo de horno es sencillo de fabricar y requiere menos estructura metálica y material refractario en comparación a los hornos circulares.

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Figura 7: Horno regenerativo de flujo paralelo (Maerz)

h1) Principio de funcionamiento del horno Maerz Se cargan con lotes de caliza alternadamente a cada cuba y pasan hacia abajo por medio de una zona de intercambio del calor regenerado, precalentado/regenerativo, bajo las lanzas del combustible y en la zona de calcinación. De la zona de calcinación pasan a la zona de enfriamiento. El funcionamiento del horno consta de dos períodos iguales, los cuales duran de 8 a 15 minutos a completa capacidad. En el primer periodo, el combustible es inyectado por las lanzas de la cuba 1, el aire de combustión sopla hacia abajo de la cuba. El calor producido se absorbe en parte para la calcinación de la caliza en la cuba 1. El aire frío de la cuba 1 junto con los gases de combustión y el dióxido de carbono de la calcinación, pasan por medio del ducto cruzado que interconecta la cuba 2 a la temperatura de unos 1.050 °C. En la cuba 2, los gases de la cuba 1 se mezclan con el aire frío soplado en la cuba 2 y eliminados. De esta manera se está haciendo que el calor pase a las rocas de caliza en la zona de precalentamiento de la cuba 2. Se sopla aire en la base de cada cuba para enfriar la cal. Si el modo precedente de funcionamiento fuese continuo, la temperatura del gas de escape subiría sobre los 500 °C. Sin embargo, después de un período de 8 a 15 minutos, el combustible y el flujo de aire de la cuba 1 son paralizados, por lo que ocurre lo contrario, después de cargar la caliza en la cuba 1, el combustible y el aire se inyectan a la cuba 2 y se descargan los gases de escape desde el tope de la cuba 1. El método operacional descrito incorpora dos principios importantes: h1.1.)

La cantidad de caliza en la zona de precalentamiento de cada cuba, además de precalentar la caliza para la temperatura de calcinación, actúa como intercambiador de calor regenerativo. Los gases calientes sobrantes son transferidos a la caliza en la cuba 2 durante el primer periodo del proceso. Se recupera entonces desde la caliza el segundo aire de combustión. Como resultado, el aire de combustión es precalentado a alrededor de los 800 °C.

h1.2.)

La calcinación de la cal viva se completa con una temperatura moderada de alrededor de 1.100 °C al nivel del ducto que cruza la cuba. Esto favorece la producción de una cal viva altamente reactiva, la que si es requerida, será producida con un bajo contenido de CaCO3, ya que, el horno está diseñado para operar con altos niveles de exceso de aire (no requiere aire frío para la combustión), el nivel de CO2 en los gases de descarga es bajo, cerca de 20% del volumen (seco)

El horno puede ser encendido con gas, petróleo o combustibles sólidos (en el caso de estos último, su caracterización debe ser cuidadosamente

seleccionada) Un diseño de modificación (El horno de “cal fina”) es útil porque acepta una alimentación de caliza en el rango de 10 a 30 mm. Existen rectangulares, circulares y para grano fino. h2) Hornos rectangulares de flujo paralelo:

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Figura 8: Principio de funcionamiento del horno rectangular de flujo paralelo

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Figura 9: Horno rectangular de flujo paralelo

h3) Hornos circulares de flujo paralelo:

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Figura 10: Principio de funcionamiento de hornos circulares de flujo paralelo

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Figura 11: Horno circular de flujo paralelo

h4) Hornos para grano fino de flujo paralelo:

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Figura 12: Interior del cilindro suspendido cubierto con refractario

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Figura 13: Hornos para grano fino de flujo paralelo:

i) Otros hornos de cuba: Este grupo, incluye varios diseños no descritos anteriormente. En estos diseños el combustible es introducido por medio de las paredes del horno, y es quemado en la zona de calcinación, con los productos de combustión moviéndose hacia arriba en contra corriente de la cal y la caliza. En algunos diseños, el combustible es parcialmente quemado en gasíferos externos. En otros, este es introducido vía aparatos tales como un quemador central, quemador de viga o balancín, como también inyectado abajo por arcos internos 6.3. HORNOS ROTATORIOS: a)

Horno largo:

Este horno consiste de un cilindro rotativo (sobre 140 m de longitud) inclinado en un ángulo de uno a 4 grados de la horizontal. La caliza es alimentada por el extremo superior y el combustible más el aire de combustión por el extremo inferior, es decir, en contracorriente al flujo de caliza. La cal viva es descargada desde el horno al enfriador de cal, el aire utilizado para enfriar la cal es utilizado para precalentar el aire de combustión. Varios diseños de enfriadores de cal son utilizados, incluyendo unidades “planetarias” montadas alrededor del “casco” o “caparazón exterior” del horno, parrillas y varios tipos de cortadores de flujos de cubas enfriadoras Muchos hornos tienen características interiores para recuperar el calor desde los gases del horno hasta los precalentadores de caliza, estos pueden ser: a1) Cadenas (en hornos que alimentan lodos de carbonato de calcio, Celulosas.) a2) Divisores metálicos o “trefoils” de refractario, los que efectivamente dividen el horno en tubos con diámetros más pequeños. a3) Levantadores que causan que la caliza sea alzada y en su caída forme cascadas atravesando los gases, y a4) Diques internos de refractario que incrementan el tiempo de residencia de la caliza. Según algunos autores, el diseño de los quemadores es importante para el funcionamiento eficaz y confiable de la operación del horno. La llama debe permanecer en su correcta longitud, demasiado corta puede causar temperaturas excesivas generando fallas en los ladrillos refractarios, demasiado larga no transfiere el calor radiante suficiente en la zona de calcinación, provocando que la temperatura suba en la parte de atrás decreciendo la eficiencia térmica. Lo importante es que la llama no debe tener contacto directo con el refractario. Los hornos rotatorios pueden aceptar un rango amplio de tamaño de caliza alimentada, va desde 60 mm hacia abajo, incluso polvo. Una característica interesante de la cama de caliza en sus giros al interior del horno, es que las rocas de mayor tamaño emigran hacia el exterior de la cama, mientras que las más 39

pequeñas se concentran en el centro de la cama. Esto, entrega como resultado: que las rocas más grandes son expuestas a temperaturas mas altas que las más pequeñas, evitando la sobre calcinación de las fracciones finas, por ende el requemado de estás partículas más pequeñas. De hecho, frecuentemente es necesario incorporar mezcladores o líneas de paso en el refractario, para mezclar la cama y así asegurar que las fracciones finas sean totalmente calcinadas.

Figura 14: Horno horizontal, los largos son de alto costo pero flexibles operacionalmente.

Debido a la facilidad con que pueden ser controlados, los hornos rotatorios pueden producir un amplio rango de reactividades y bajos niveles de CaCO3 comparado con los hornos de cuba. También para la alimentación de algunas rocas relativamente débiles, tales como depósitos de conchas, y calizas que se quiebran, y que son inapropiadas para alimentar hornos de cuba, pueden ser aprovechadas en estos hornos rotatorios. Los hornos rotatorios pueden utilizar una amplia gama de combustibles. Como la transferencia de calor en la zona de calcinación es comúnmente por radiación, y como las emisiones infrarrojos aumentan en la secuencia de gas, petróleo y combustibles sólidos, la elección del combustible puede tener un marcado efecto en el uso del calor. Valores tan altos como 2.200 kilocalorías/t. de cal viva (9.200 MJ/tonelada de cal viva) puede ser observadas desde hornos simples que queman gas, mientras que hornos similares que queman carbón pueden tener un uso de calor de 1.800 kilocalorías/t.de cal viva (7.500 MJ/tonelada de cal viva). El uso de ajustes interiores puede reducir estos usos de calores por debajo de los 1.600 kilocalorías/tonelada de cal viva (6.700 MJ/ tonelada de cal viva). Pérdidas de radiación y transmisión desde el horno son relativamente altas comparado con otros diseños de hornos. Una característica de los hornos rotatorios: es la formación de “anillos”. Estos consisten de la acumulación de material refractario, en una parte del horno, que tiene una temperatura apropiada para formar una fase semilíquida. Tales anillos pueden formarse desde la ceniza del carbón quemado en el horno o desde depósitos de sulfato de calcio. Metales alcalinos (como sodio y potasio), arcillas y cal pueden contribuir a su estructura, la que puede ser incómodo para la operación.

En el caso de quemar carbón, la molienda fina del combustible puede reducir significativamente la velocidad de formación de éstos Otra característica de los hornos rotatorios es que los sulfuros de los combustibles, y, en menor grado el de las calizas, puede ser emitido desde el horno con los gases por un control combinado de la temperatura y el porcentaje de monóxido de carbono, CO, en la zona de calcinación. Las cales con azufre pueden ser producidas utilizando combustibles con alto azufre, tema que limita cualquier emisión de SO 2 en los gases de descarga. b)

Horno rotatorio con precalentador:

Modernos hornos rotatorios son construidos con precalentadores y generalmente son más corto que el horno rotatorio convencional (ejemplo 40 a 90 m) El calor usado disminuye a causa de la reducción de la pérdida de radiación y transmisión como fuentes que incrementan la recuperación de calor de los gases de escape. Estos, quemando carbón, el calor neto usado es menos que 1.250 kilocalorías/tonelada de cal viva (5.200 MJ/ tonelada de cal viva) obtenida. Se han desarrollado varios diseños de precalentadores, incluyendo: los de cuba vertical y los de parillas transportadoras. El precalentador podría ser seleccionado sobre la base del tamaño y las propiedades de la caliza alimentada. Muchos pueden aceptar un tamaño mínimo de 10 mm; algunos tienden a utilizar bajo los 6 mm, y otros no pueden tolerar rocas débiles o rocas que son probables de explosar. Mientras la eliminación de azufre es más difícil en los hornos con precalentadores, hay varias maneras en las que esto se puede alcanzar: b1) Estableciendo purgas de SO2 tomando algunos gases del horno alrededor del precalentador, esto incrementa el costo del calor utilizado. b2) Operar el horno bajo condiciones de reducción e introduciendo aire adicional por atrás en la parte final de éste (solamente se puede hacer en ciertos diseños de precalentadores) b3) Adicionando suficiente cantidad de caliza fina en la alimentación, para que ésta en forma preferencial absorba el SO2, de manera que sea colectado en la parte de atrás del colector de polvo, o si fuese necesario harneada la cal en el exterior, en la descarga del enfriador. 6.4. Otros hornos: Varios diseños de hornos han sido desarrollados, basados sobre la tecnología utilizada en los hornos modernos de cemento. Uno de las fuerzas que impulsan el desarrollo de nuevos diseños de hornos es la substancial cantidad de carbonato de calcio que es útil, pero está en forma finamente dividido. La industria del papel, del azúcar, de la madera, por ejemplo, produce una mezcla de carbonato de calcio y materia orgánica, la que puede ser calcinada y reciclada, y muchas canteras de calizas producen sobrantes de caliza fina, la que, en principio, podría ser utilizada para calcinación (aunque esta se encuentra frecuentemente contaminada con arcilla) 41

6.5. Horno con parrilla transportadora: Para calizas cuyo rango de tamaño es entre 15 a 45 mm, una opción es la “parrilla transportadora” (o CID) horno (desarrollado en Alemania). Este consiste de una cuba rectangular como zona de precalentamiento, la que alimenta la caliza a la zona de calcinación. En la zona de calcinación la caliza cae lentamente en cascada sobre cinco platos oscilantes, opuestos a una serie de quemadores. La cal pasa a una zona de enfriamiento rectangular. El horno CID puede quemar combustibles, gaseosos, líquidos o sólidos pulverizados y se ha encontrado que produce cal quemada blanda, con un contenido de CaCO 3 residual menor a 2,3%. Los cuatro hornos construidos a la fecha, tienen una capacidad de 80 a 130 t/día de cal viva. 6.6. El horno “top-shaped”: Otro desarrollo relativamente nuevo, que acepta alimentación de caliza en un rango de 10 a 25 mm, es el horno de cal “top-shaped” (desarrollado en Japón). Este consiste de una zona de precalentamiento “annular” desde la cual, la caliza es desplazada por empujes con una barra al interior de una zona cilíndrica de calcinación. Los gases de combustión, se obtienen desde un quemador del paramento central, descendente, encendido con petróleo y posicionado en el centro de la zona de precalentamiento dirigido hacia abajo dentro de la zona de calcinación por un “cubactor”. La cal entonces, pasa abajo al interior de la zona cónica de enfriamiento. Este horno es para producir cal viva de alta calidad, satisfactoria para la producción de acero y carbonato de calcio precipitado. Las capacidades del horno son por sobre las 100 t/día de cal viva, el calor usado es de 1.100 kilocalorías/tonelada de cal viva (4.600 MJ/t. de cal). Se ha encontrado que, por causa de su relativamente baja altura, este horno puede aceptar calizas con baja dureza. 6.7. Proceso de calcinación gases suspendidos u hornos calcinadores flash: La calcinación con gases suspendidos, GSC, sigla en inglés, es una nueva tecnología para procesamiento de minerales calizos, tales como: la calcinación de: dolomita y magnesita desde materiales crudos finamente pulverizados, para producir productos uniformes altamente reactivos. Muchos de estos procesos en la planta, tales como manejo, precalentamiento, calcinación y enfriamiento, son ejecutados en suspensión gaseosa. Consecuentemente, la planta consiste en equipos estacionarios y muy pocos componentes en movimiento. La cantidad de material presente en el sistema es despreciable, el cual principalmente después de unos minutos de operación el producto conformaría sus especificaciones. No hay pérdidas de material ni de calidad durante el comienzo y término de la operación, como tampoco producto de baja ley o calidad. El proceso GSC produce un producto con alta reactividad, constante cuando es calcinado a alto grado. 42

El material que es procesado en una suspensión gaseosa debe tener una finura deseada, experiencias prácticas indican que el tamaño de partícula no debe exceder los 2 mm Una planta de GSC para producir cal dolomítica ha estado en funcionamiento continuo en Norsk Hydro, Porsgrunn, Noruega, desde agosto de 1986, según las siguientes características: a)

Capacidad de la planta: 430 t/día

Consumo de combustible: 1.150 kilocalorías/tonelada de cal viva (4.800 MJ /tonelada de cal)

Consumo de energía: 33 kWh/tonelada de cal

El consumo de combustible es bajo, 4,2 millones de Btu por tonelada corta de cal, por lo que casi cualquier clase de combustible puede ser quemado. Otra de las ventajas del calcinador flash, es la capacidad de utilizar a bajo costo los montones de caliza fina disponible acumulada en el tiempo en una planta de cal. 6.8. Horno hogar o solera rotatoria: Este tipo de horno, ahora al menos obsoleto, fue diseñado para producir cal granulada. Este consiste de un hogar anular que transporta la carga de caliza. La caliza es calcinada por múltiples quemadores que van en el hogar anular rotatorio. El aire de combustión es precalentado por los gases calientes sobrantes de la descarga y/o utilizando los gases de enfriamiento de la cal viva. Debido a la reducida abrasión comparada con el horno rotatorio y el horno de cuba, el horno con hogar o solera rotatoria produce una proporción alta de cal granulada.

PROCESAMIENTO PARA CAL VIVA, EN LA DESCARGA DEL HORNO.

El objetivo del procesamiento “descarga del horno” ROK, sigla en inglés, es para producir cales vivas con varias leyes, con tamaño de partículas y calidades requeridas por varios segmentos de mercado. Un número de unidades de procesos son utilizadas, incluyendo harneo, chancado, molienda, pulverizado, clasificación con aire, envasado y transporte. Como un buen diseño de planta para procesamiento de cal cubre varios objetivos, comúnmente: a)

Maximizar el rendimiento de productos principales.

Minimizar el rendimiento de productos defectuosos (generalmente finos)

Mejorar la calidad de ciertos productos, y

Entregar flexibilidad para alterar el rendimiento de productos según los cambios que el mercado demande.

El procesamiento de la planta podría incluir un adecuado almacenamiento, tanto para productos como para intermedios, proporcionando un amortiguador entre el horno, el cual es operado en forma continua y el despacho, el cual tiende a tener niveles bajo en las noches y fines de semana. La cal en la descarga (ROK) es siempre harneada (generalmente alrededor de 5 mm) para remover impurezas, el primer fragmento o fracción de finos. Si la cal del ROK tiene un tamaño máximo en exceso, de 45 mm, esta es reducida en tamaño con la producción mínima de finos. Se usan ampliamente para esta tarea chancadores de mandíbulas o de rodillos. El chancado de la cal del ROK es entonces alimentada a un harnero con multimallas, el que produce una fracción fina secundaria (ej. Menor que 5 mm) y una fracción granulada, fracción de cal entre 5 a 15 mm y entre 15 y 45 mm, tamaños mayores, sobretamaño, (ej, mas grande que 45 mm) puede ser chancada en un chancador secundario y reciclada al harnero multimallas. Los productos son almacenados en silos, desde los cuales pueden ser ambos despachados directamente o transferidos a otra planta de molienda o hidratación. Los requerimientos en cuanto al tamaño de partículas obtenido en la planta de molienda, varían mucho, desde relativamente gruesos utilizados para estabilización de suelos a productos finamente divididos para aplicaciones especializadas. Los productos gruesos y toscos son producidos en forma relativamente barata o económica pasando por una simple molienda mediante golpes y pasándolo íntegramente por un harnero tipo canastillo. Los productos finos son generalmente producidos en moliendas con un tubo y rodillo vertical. En último caso, la velocidad variable de clasificación es ajustada por el control de la graduación del producto y reciclando las partículas de sobretamaño. Posterior a 1980, la molienda con rodillos de alta presión fue desarrollada para la industria del cemento y está siendo incrementado el uso para la cal viva.

El producto que se tritura pasándolos a través de los rodillos, el cual efectivamente produce una hojuela o lámina, es alimentado a un desaglomerador y clasificación con aire, para remover las partículas que requieren mayor finura y reciclar la fracción gruesa. La energía requerida para el sistema puede ser menor que la mitad de los molinos de bolas y menos que el 60% de los molinos de anillos. Definida la caliza, el tipo de horno la matriz de combustibles y el tipo de refractarios a utilizar, se requiere contar con antecedentes involucrados para la transformación, mediante calcinación, del carbonato contenido en las calizas en el óxido correspondiente a cada tipo de cal viva.

DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE LA CALIZA.

8.1. Principios de la cal calcinada: a)

Requerimientos de calor:

El proceso de calcinación de la cal requiere suficiente calor, para ser transferido a la caliza, con el fin de precalentarla hacia la temperatura de disociación y así obtener la descomposición del CaCO3 y/o MgCO3. El calor requerido para efectuar el proceso anterior es de 442 kcal/kg CaO (masa x calor específico x ∆T  m x cp x (∆T)  1,79 x 0,279 x (900 – 15)), aunque el calor de calcinación es 733 kcal/kg CaO. Esto puede ingenuamente ser asumido como que el calor mínimo requerido para calcinar la cal es (442 + 733) 1.175 kcal/kg CaO. En la práctica, de cualquier manera, el calor requerido puede ser menor que el valor anterior, y además en hornos de última generación alcanza un calor neto bajo los 900 kcal/kg CaO. El cálculo anterior omite dos cosas. a1)

El horno de cal hace extensivo el uso de calor recuperado, el cual reduce significativamente los requerimientos de éste.

a2)

Sólo una parte del calor liberado por combustión del combustible está disponible para la calcinación. La experiencia y destreza de los diseñadores de hornos, para la cal, se orienta a minimizar los requerimientos de calor con el fin de alcanzar la integración eficiente del calor transferido con la combustión controlada. Estos maximizan el calor recuperado y la cantidad de calor disponible por calcinación.

Calor transferido y recuperado:

El calor transferido en el quemador de cal puede ser dividido en 3 zonas. b1) Zona de precalentamiento: La caliza es calentada desde la temperatura ambiente hasta cerca de los 800 °C por contacto directo con los gases que vienen de la zona de calcinación (productos de combustión, exceso de aire y CO2 desde la calcinación). b2) Zona de calcinación: El combustible es quemado con aire precalentado desde la zona de enfriamiento (dependiendo del diseño) y en la combustión se adiciona aire adicional con el combustible. Esto produce calor por cerca de los 900°C y causa la disociación de la caliza a cal viva y CO2. b3) Zona de enfriamiento: La cal viva que abandona la zona de calcinación a 900 °C es enfriada por contacto directo con aire frío. En muchos diseños de hornos, existen 2 desequilibrios en cuanto a la transferencia de calor en las zonas anteriormente mencionadas. I.

Los gases del horno contienen considerablemente más calor que el requerido para precalentar la caliza a 900 °C.

II.

La caliza no contiene suficiente calor para precalentar el aire requerido en la combustión a 900 °C (incluyendo el nivel necesario de exceso de aire).

Ambos desequilibrios incrementan los requerimientos de calor global. 8.2. Calidad del producto: Los requerimientos de calidad de la producción de cal requiere la selección de una apropiada caliza, diseño del horno y combustible. También considera el control de los parámetros del horno, con el fin de asegurar que la calidad del producto este de acuerdo a las especificaciones impuestas por el mercado. En la producción de 1 tonelada de CaO, también es producida aproximadamente 1 tonelada de CO2. La cantidad depende del calor usado por tonelada de CaO producida y sobre el combustible usado. La mayoría de los productores de cal descargan el CO2 directo a la atmósfera como un producto de desecho. Algunos de alguna forma usan el CO 2 como un valioso subproducto. Las reacciones químicas involucradas son engañosamente simples, hay complicaciones particularmente con la dolomita, las cuales se cree que son causadas por las variaciones en la cristalografía y la estructura cristalina. Se han hecho muchos intentos para unificar una teoría de la calcinación, pero todas tienen sus limitaciones, esto se cree que es por: a) Procesamiento severo que está involucrado en la calcinación. b) Diferencias en la cristalografía y microestructura de la caliza. c) La microestructura de la cal puede tener efectos significativos. 8.3. Las reacciones químicas: a) Carbonato de calcio CaCO3 + calor  CaO + CO2 La presión de disociación del CO2 es 0.23 mm Hg, por lo tanto, mientras no se sobrepase esta presión, no ocurrirá la disociación de la calcita. Para ello se debe llevar la temperatura a 900°C a 1 atmósfera de presión. (libro: La Cal ¡Es un reactivo químico! del mismo autor de este libro). Todo lo anterior es para un estado o proceso ideal, pero en un proceso industrial donde la caliza no es totalmente pura, contiene impurezas que están asociadas a la vena de la materia prima, por ende muy difícil de eliminar, dentro de tales impurezas se encuentran los otros elementos distintos del calcio que también son alcalinos o alcalino térreos. El tamaño de la materia prima no es único, hay una diversidad de tamaños que ingresan a calcinación, por lo general en hornos rotatorios la relación entre el tamaño más pequeño de partícula y el más grande es de 1: 3. Del mismo modo la forma geométrica de las partículas es heterogénea. Por otro lado el tipo de combustible no es único, existen varios tipos en sus tres estados, sólidos, líquidos y gaseosos, todos con distinta capacidad calorífica. La operación de los hornos

también está sometida a paralizaciones imprevistas, por lo que la operación en vez de ser ideal pasa a ser una operación normal, siempre y cuando el siguiente triangulo virtuoso este en equilibrio: Materia prima: Tamaño y forma geométrica adecuada. Generación de finos controlada. Minimo desgaste de roca. Estructura química apropiada; buen tratamiento superficial.

Matriz de combustible: en equilibrio en cuanto a cantidad y tipo

Producto Optimo en Oxido de Calcio Equivalente

Operación: controlada, mínimo de paralizaciones imprevistas

En estricto rigor, lo que se obtiene de la reacción anterior es CaOtotal que corresponde al CaO equivalente del producto según el uso o aplicación de la cal, y que en algunos casos es la sumatoria de lo siguiente. CaOtotal = CaOlibre + CaOcrudo + CaOcombinado Donde: CaOlibre: es el óxido de calcio útil y puro, el cual aporta el máximo de basicidad y se hidrata fácilmente, por lo general su pH natural fluctúa entre 12,6 a 12,8.. CaOcrudo: es el calcio que no logró llegar al estado de disociación por lo tanto es CaCO3 que no reaccionó en el proceso de calcinación, su pH natural fluctúa entre 8 a 8,2. CaOcombinado: es el CaO formado por una calcinación a mayor temperatura que la adecuada y necesaria, para la descomposición del carbonato. Producto de la sinterización, éste se enlaza con las impurezas de la caliza (Al, Si y Fe) formando una escoria, su pH natural fluctúa entre 12,4 a 12,6 El calor de disociación teórico de la calcita a 25°C está entre 695 – 834 kcal/kg de CaO. Boynton indica que es 770 kcal/kg CaO; Schwarzkopf por su parte menciona que es 754 kcal/kg CaO ; J.A.H. Oates en su libro Lime and Limestone indica 760 kcal/kg CaO. El calor de disociación de la calcita a 900°C es 723 kcal/kg CaO. La diferencia de 37 kcal/kg CaO, con lo indicado por J. A. H. Oates resulta del factor entre 1.786 kg. de CaCO3 requieren 431 kcal para calentarse de 25°C a 900°C mientras la relación de productos es 1 kg CaO y 0,786 kg CO2, liberando 208 y 186 kcal respectivamente para el enfriamiento, con un total de 394 kcal. Schwarzkopf indica 698 kcal/kg CaO.

Carbonato de magnesio MgCO3 + calor  MgO + CO2

La temperatura a la cual la presión de disociación del MgCO 3 alcanza 1 atmósfera de presión, está entre 402 – 550°C. El calor de disociación a 25°C es 723 kcal/kg MgO. c)

Dolomita y Magnesiana / caliza dolomítica

Se postula que la descomposición tiene 2 pasos, aunque otros autores dicen que tiene sólo un paso. CaCO3MgCO3 + calor1  CaCO3MgO + CO2

(I)

CaCO3MgO + calor2  CaOMgO + CO2

(II)

CaCO3MgCO3 + calor1 y 2  CaOMgO + 2CO2

(III)

Todas se descomponen a temperaturas más altas que el MgCO3. El comienzo de la calcinación puede variar de 510 – 750°C y depende de la estructura del cristal y la forma de la roca de caliza mineral. La reacción (I) ocurre en el extremo inferior del rango de temperatura. La reacción (II) ocurre a los 900°C. La reacción (III) en el extremo superior del rango de temperatura. Estas discrepancias pueden reflejar diferentes velocidades de transferencia de calor, más que fundamentar diferencias en las propiedades fisicoquímicas de las calizas. El calor de disociación de la dolomita (ecuación (III) es de 723 kcal/kg CaOMgO a 25°C. Este es más bajo que el peso promedio del calor de disociación del CaCO 3 y MgCO3 que es 750 kcal/kg CaOMgO. La diferencia radica en el calor de formación de la dolomita en relación al de la calcita y magnesita. 8.4. Cinética de calcinación: El paso de las partículas de caliza a través del horno de cal puede ser dividida en 5 etapas (está referido a la caliza alta en calcio). a)

En la zona de precalentamiento, la caliza es precalentada desde la temperatura ambiente a 800°C, por los gases del horno, producidos en la combustión, el CO2 de la calcinación y el exceso de aire.

A los 800°C la presión del CO2 producida por la disociación de la caliza, alcanza la presión parcial del CO2 en los gases del horno. Como la temperatura de la caliza se eleva, la capa superficial comienza a descomponerse. Cuando la temperatura del mineral de caliza alcanza los 900°C la capa de cal formada puede tener 0,5 mm de espesor (correspondiente al 5% del peso de la cal viva para partículas de 25 mm).

Una vez que la temperatura de la caliza excede la temperatura de descomposición, 900°C., la presión parcial excede 1 atmósfera y el proceso de disociación puede continuar más allá de la superficie de la partícula.

Si todo el CaCO3 se disocia antes de que una partícula determinada haya pasado por la zona de calcinación, la cal comienza a sinterizarse, requemarse o combinarse con la sílice, el hierro, y el aluminio u otras impurezas contenidas en ella (la ocurrencia de este proceso es delimitado su alcance durante la etapa (c), pero para las demás puede ser indiferente).

Las partículas de cal, pueden contener residuos de caliza, material crudo, al dejar la zona de calcinación a 900°C donde son enfriadas por aire, el que posteriormente es usado para la combustión.

Las etapas a), b) y e) involucran la transferencia de calor directo entre el medio gaseoso y las partículas sólidas. En un proceso unitario general, el mecanismo de transferencia de calor es bien implícito y no es específico del proceso de calcinación de la caliza. Las etapas c) y d) son específicos del proceso de calcinación de la caliza y por lo tanto son influenciadas por el diseño del horno, influyendo directamente en las propiedades de la cal viva. La dificultad en producir una teoría unificada de la cinética de reacción es que se necesita considerar para todos los procesos anteriores una sola, la cual puede venir a ser determinante para circunstancias particulares. 8.5. Disociación de la caliza alta en óxido de calcio: La disociación de la caliza, en cuanto a su perfil de temperatura de descomposición también puede ser considerada en cinco etapas. a)

El calor es transferido desde los gases del horno a la superficie de la partícula para descomponerla.

El calor es conducido de la superficie de la partícula a la interfase de reacción a través de la capa de microporos de la cal.

El calor que llega a la interfase de reacción causa la disociación del CaCO3 en CaO y CO2.

El CO2 producido migra desde la interfase de reacción, a través de la capa de cal, a la superficie de la partícula y es simultáneamente calentado desde la temperatura de la interfase de reacción a la de la superficie.

El CO2 migra fuera de la superficie en los gases del horno. CaO combinado CaO libre b)

c) e)

CaO crudo o CaCO3

Figura 15: Ilustración de las etapas involucradas en la disociación de la caliza (calcita)

Los procesos físicos y fisicoquímicos de las etapas a), c) y e) están relativamente bien entendidas, pero el efecto de la microestructura de la capa de cal sobre b) y d) es compleja y depende en parte de las características de la caliza (calcita). Otra complicación resulta, cuando ocurre un cambio en la estructura de la capa superficial de la cal, causada por sinterización, escorificación y absorción de SO 2. Si la idea que la migración del CO2 de la interfase de reacción puede ser la etapa determinante, aparece como improbable. Se sugiere que el paso fundamental que controla la velocidad de reacción es la difusión del estado sólido del CO 2 a través del CaO en la región de la interfase de reacción. Esto contrasta la forma compleja de la curva de pérdida de peso a presión atmosférica con la relación lineal en vacío. La generalización anterior es ilustrada, gráfico 1, por los resultados de laboratorio de calcinación de caliza esférica. La esfera tiene un diámetro de 31 mm y tiene una termocupla embebida en la capa superficial y una segunda ubicada 5 mm bajo la superficie. La esfera fue suspendida en un horno de 1.020°C. La temperatura superficial se eleva a los 900°C en 5 minutos y entonces se eleva progresivamente a 1.000°C después de 60 minutos, y alcanza la temperatura del horno después de 67 minutos, tiempo en el cual la partícula fue totalmente calcinada. La calcinación de la otra parte de la esfera mantiene la temperatura, 5 mm bajo la superficie, bajo los 900°C hasta después de 45 minutos, cuando la interfase de reacción es alcanzada. La temperatura en este punto entonces se eleva hacia la temperatura superficial. La proporción calculada de CaCO3 que se disoció y el radio calculado del núcleo de la caliza se muestran en la página 144 libro J.A.H. Oates “ Lime and Limestone, Figura 15.3. Desde el punto de vista de la cal quemada, las principales variables que afectan la velocidad de disociación son: f)

Las características físicas y químicas de la caliza. Nivel de impurezas, porcentaje de finos, calidad, etc.

La distribución del tamaño de partícula. En donde granos finos de caliza se descomponen más rápido que las más grandes (en ausencia de decrepitación).

La forma de las partículas. El factor de tiempo de calcinación es directamente proporcional al espesor. El tiempo de calcinación para un espesor conocido es tiempo esfera < tiempo cubo < tiempo cilindro < tiempo placa. Donde el espesor es definido como la dimensión mínima medida desde el centro de gravedad de la partícula.

El perfil de temperatura en la zona de calcinación.

La velocidad de intercambio de calor entre el gas y la partícula.

Las características particulares de la caliza sólo pueden ser evaluadas por pruebas cuánticas de calcinación y comparando el progreso de la calcinación y la calidad del producto. Los efectos combinados de la temperatura y el tamaño de las esferas de una misma caliza densa se muestran en la página 146 libro J.A.H. Oates “ Lime and Limestone, Figura 15.5. 8.6. Sinterización de cal viva alta en calcio: Según J.H.A. Oates, Azbe concluye que para una forma dada el factor de tiempo de calcinación es directamente proporcional al espesor. Azbe derivó una fórmula para la “Fuerza de calcinación” de una forma particular. Predice que la fuerza de calcinación para un prisma rectangular largo, de un espesor conocido, es doble que para un cubo con el mismo espesor. Los tiempos de calcinación relativos para un espesor conocido y para diferentes formas es de 1 para una esfera, 1,5 para un cubo, 1,7 para un cilindro y 3 para una placa. Cuando la caliza calcítica densa es calcinada a temperaturas cercana a los 900°C, el volumen individual de las partículas se incrementa muy ligeramente hasta cerca del 60% de la caliza disociada y estas disminuyen ligeramente cerca del 98% del volumen original al momento cuando se completa la calcinación. La calcinación a muy altas temperaturas ha sido mostrada como la causante significativa de la sinterización de la capa superficial de la cal, aunque la disociación está aún en progreso, bajo extremas condiciones estas pueden interferir significativamente con el proceso de disociación. El proceso de sinterización, después de completada la disociación, es más relevante para la cal quemada, por el efecto sobre la reactividad de la cal. La Figura 15.6 de la página 147 libro J.A.H. Oates “Lime and Limestone, muestra el efecto de la temperatura y el tiempo de sinterización, medidos por la variación de densidad aparente de la cal viva desde una caliza calcita alta en calcio. La sinterización involucra cambios drásticos en la estructura y en la reactividad de la cal. Esta se produce a altas temperaturas, en estado líquido cuando se forma un enlace covalente entre el calcio y las impurezas (sílice, aluminio y hierro) en la zona de calcinación. Para producir cales en las que se puede evitar al máximo la sinterización, se necesitan calizas de alta ley en CaCO3 (mayor que 90%), por el menor contenido de impurezas de esta. Con lo anterior, resulta fácil de comprender que al producir cal viva, en la partícula se obtiene un compuesto denominado CaO total. Este compuesto, como se indicó anteriormente, es la sumatoria del CaO libre o disponible, más el CaO crudo que es el CaCO3 que no reaccionó en el proceso de calcinación, más el CaO combinado o requemado que es el CaO formado por una calcinación a una mayor temperatura que la adecuada y necesaria, para la descomposición del CaCO3, el cual se enlaza formando una escoria con las impurezas contenidas en la caliza, sobre la superficie de la partícula producto de la sinterización o requemado.

La sinterización característica de la cal viva, está influenciada por las impurezas. La presencia de altos niveles de sodio, tanto en la caliza o adicionados a la roca como una solución de NaCl o NaCO3, reducen la sinterización en algunas cales. La sílice, aluminio y/o óxido de hierro, finamente dividido disperso en la caliza, puede incrementar la sinterización. También es probable que la sinterización característica de muchos poros de la cal, producidos desde los micro poros de las calizas, tal como las tizas, difieren de estas cales producidas desde calizas densas. El MgO, componente de Magnesio/dolomítico y dolomitas, se calcina más rápidamente y tiende a sinterizar de inmediato más rápido que el componente CaO (por lo menos en términos de reactividad al agua). Considerando lo anterior, se realizó un par de pruebas de calcinación en laboratorio, para conocer el comportamiento en la generación de CaO libre a distintas temperaturas y tiempo. Dos calizas una gruesa entre 15 y 50 mm y otra un poco más fina entre 6 a 15 mm con valores de carbonato de calcio de 91,9% y 92,7%, equivalentes a 51,46 y 51,73 % de CaO total, (promedio ambos laboratorio), fueron sometidas a distintas temperaturas para transformarlas y concentrarlas en cal. La caracterización de ambas calizas se muestra en la tabla 3, ésta fueron analizadas químicamente en dos laboratorios distintos. CALIZA CHILENA Laboratorio 1 Laboratorio 2 Caliza fina Caliza Gruesa Caliza fina Caliza Gruesa

Caracterización química CaCO3

91,9

92,7

SiO2

4,2

3,4

4,1(*)

4,4(*)

Al2O3

1,3

1,1

0,9

1,0

Fe2O3 CaO total MgO SO3

% % % %

0,9 51,4 0,4 0,1

0,9 52,2 0,4 0,1

0,4 51,5 0,6 0,1

0,4 51,3 0,7 0,0

Na2O

0,4

0,1

K2O

0,2

0,3

% % % %

0,0 41,0 0,1 100

0,0 41,4 0,1 100

Cl Pérdida por calcinación, Ppc Otras Impurezas Sumatoria

41,1 40,9 0,9 0,9 100 100 (*) a título indicativo

Tabla 3: resultados de análisis químico a calizas de la zona norte de Chile.

Los resultados de calcinación obtenidos de estas pruebas a escala de laboratorio los muestra el gráfico 2.

Gráfico 2: contenido de CaO libre según aumento de temperatura.

Esta gráfica, indica que para estas dos muestras puede existir en ambas calizas, un máximo de temperatura donde se obtiene el mayor contenido de CaO libre. Al sobrepasar esa temperatura máxima, el contenido de CaO libre comienza a disminuir. Lo anterior -entre otras conclusiones que puedan surgir- probablemente se debe a la generación de cal combinada o requemada causada por las impurezas asociadas a la caliza y que forman parte del CaO equivalente de la cal. Esto es avalado por el hecho de que en iguales condiciones, la caliza más fina entregó menor contenido de CaO libre debido a su mayor área superficial de contacto, lo que le permitió desarrollar a menor temperatura la reacción de combinación y requemarse. Se puede suponer que todo esto, debe ser causado por los compuestos fundentes o impurezas con mayor potencial de combinación (sílicio, hierro, aluminio, sodio, potasio, etc.) ya que están en forma importante ambas calizas, al igual que el punto de fusión. Todo esto está en sintonía con lo indicado en la sinterización de la cal viva alta en calcio. Este gráfico también muestra y avala el hecho de que en operaciones de las plantas de cal, con hornos rotatorios, se trabaje a temperatura de 1200 °C porque ello permite que si por algún motivo se genera un desequilibrio operacional, y la temperatura baje, el producto no se vea afectado en su contenido de CaO libre, pero el consumo de combustible con este tipo de operación es excesivo, se puede exigir trabajar a menores temperaturas y el ahorro de combustible permitirá pagar para 54

un mejor control de la operación que irá en beneficio de la vida útil del horno y sus componentes interiores. Para ahondar sobre este tema, se debe realizar el estudio correspondiente en una Universidad Nacional que permita verificar y cuantificar el efecto sobre el CaO equivalente de la cal. 8.7. Inyección de vapor: Se ha reportado que la inyección de vapor reduce la temperatura de disociación de algunas calizas e incrementa la velocidad de disociación. Desde un punto de vista académico el vapor debería actuar como gas inerte, reduciendo la presión parcial del CO2 en los gases del horno, eso marginalmente, baja la temperatura de disociación e incrementa la velocidad de disociación. De cualquier manera, desde el punto de vista de producción de cal, los efectos esperados serían: a)

Moderación de la temperatura del horno, particularmente si vapor de agua se adiciona a la zona de combustión.

Un incremento en el calor usado.

8.8. Recarbonatación de la cal: La cal puede recarbonatarse por 2 mecanismos. a)

Sobre la temperatura de disociación del Ca(OH)2 (549°C) y bajo la temperatura de disociación de la calcita CaCO3 (entre 695 y 834 a 25 °C) la reacción de la ecuación: CaCO3 + calor  CaO + CO2

Puede direccionarse hacia la izquierda con la evolución de calor. Cales con alta porosidad pueden absorber sobre el 50% de la cantidad teórica de CO2, mientras que para cales densas, pueden absorber sólo de 3 – 5% de CO2. El proceso de recarbonatación fue demostrado, según lo indica J.A.H. Oates en su libro, usando una caliza esférica con una termocupla. Inmediatamente después de haberse completada la calcinación, el horno fue enfriado a 700°C y una atmósfera de 100% de CO2 fue establecida. La temperatura de la termocupla de la superficie, se eleva a un valor máximo cerca de 780°C en 3 minutos, aunque 5 mm más debajo de la superficie, se eleva a un máximo de 875°C en 4 minutos. Después de 20 minutos el 50% del CaO originalmente presente se ha carbonatado. Altas temperaturas de recarbonatación pueden ocurrir en hornos bajo condiciones anormales, en los cuales algunos gases del horno entran en la zona de enfriamiento. b)

El segundo mecanismo ocurre a una temperatura que está por debajo de la disociación del Ca(OH)2 y concierne: b1) Hidratación de la superficie de la cal viva, absorbiendo vapor de agua atmosférico: CaO + H2O  Ca(OH)2.

b2) Carbonatación de parte del Ca(OH)2 absorbiendo CO2 y pasando a CaCO3 liberando moléculas de H2O que pueden continuar hidratando mas cal viva, CaO: Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O. Tal hidratación y recarbonatación ocurre rutinariamente en un alcance limitado (< 0.5% del peso de agua y < 0.03% de CO2) en la zona de enfriamiento, para todo horno de cal, pero no causa algún efecto significativo. Ocurre a un mayor alcance cuando la cal viva es expuesta a la atmósfera por largos periodos. La excesiva recarbonatación por ambos mecanismos es notada generalmente por una anormal baja reactividad, la cual no está asociada con la supuesta alta densidad másica aparente. Experiencias que se han realizado en algunos laboratorios, para conocer la velocidad de recarbonatación de la cal calcitica industrial expuesta en forma directa al aire y humedad ambiental, indica el siguiente comportamiento:

14,0

70,0

12,0

60,0

10,0

50,0

8,0

40,0

6,0

30,0

4,0

20,0

2,0

10,0

0,0

CaO(l)

CO2

Cal Apagada CO2 / CaO(l)

0,0 0

10 11 12 13

Días % CO2

CaO(l)

Gráfico 3: recarbonatación de la cal

Se aprecia que a los 9 días de exposición se llega a la meseta de recarbonatación, prácticamente con una absorción de 13 % de CO2. Para esta experiencia se utilizó cal viva con algo más de 77% de CaO libre y 0,17% de CO2 inicial en la muestra. Esto presenta real importancia, para el cuidado y protección que se debe tener con la cal en el almacenamiento de la misma, sobretodo, cuando el envase que la contiene esta abierto y expuesto al aire.

PRODUCCIÓN DE CAL VIVA.

La cal viva resulta de la descomposición térmica de la caliza, en algún tipo de horno como los indicados anteriormente, donde se aplica la cantidad de calor necesaria, para sobrepasar la presión de disociación que ejerce el carbonato de calcio y así liberar el CO2 con el fin de formar el CaO. 9.1. Caracterización físico química: La cal viva como cualquier otro reactivo químico, en su producción adquiere valores que la caracterizan y diferencian de los demás compuestos químicos similares y utilizados para efectos parecidos, estas variables están dadas tanto en su aspecto físico como químico: 9.2. Propiedades físicas: a)

Peso molecular: CaO 56,08 gr/mol; MgO 40,31 gr/mol; CaO  MgO 96,39 gr/mol.

Color: blanca; presencia de hierro (Fe) y/o manganeso (Mn) Flúor (F), la torna gris, café o amarillo; si es quemada con combustible sólido se torna café.

Olor: según algunos, ligero olor a tierra húmeda.

Textura: tiene microcristales, con apariencia amorfa a simple vista.

Estructura cristalina: cúbica. CaO( radio iónico 2,4 A°) y MgO ( 2,1 A°)

Porosidad: surge de la porosidad de la caliza y del proceso de descomposición. 55% cuando los poros de la caliza son altamente quemados. La exposición a altas temperaturas provoca la sinterización que disminuye la porosidad en un 25%. La cal requemada su porosidad es 10%.

Gravedad específica: cal viva, CaO (con 0 porosidad) 3,25 – 3,38 gr/cm3; cal apagada, Ca(OH)2 2,3 a 2,4 gr/cm3; cal viva dolomítica, CaOMgO 3,5 – 3,6 gr/cm3.

Densidad aparente: desde la caliza porosa su densidad es 1,4 gr/cm3. La sinterización aumenta la densidad. La dolomita calcinada 3,2 gr/cm3.

Densidad másica aparente: como varía demasiado, se usa un valor promedio de acuerdo al grado de sinterización de la partícula de cal viva, generalmente varía entre 0,9 a 1,2 gr/cm3.

Densidad másica: depende de la densidad másica aparente que esta en el rango 900 – 1.200 kg/m3.

Ángulo de reposo: 35°, el ángulo aumenta con el aumento de finos.

Dureza: 2 – 3 mohs.

Coeficiente de expansión térmico: 140x10-7/°C.

Conductividad térmica: 0,00015 – 0,002 cal/cm2seg°C.

Punto de fusión: CaO 2.580°C; MgO 2.800°C; dolomita calcinada 2.400°C; para dolomita (67% CaO y 33% MgO) 2.370°C.

Punto de evaporación: CaO 2.850°C; MgO 3.600°C.

Calor específico: CaO 0,182 cal/gr °C, dolomita 0,198 cal/gr °C a 20°C.

Calor de formación: CaO 151,9 kcal/mol; MgO 143,8 kcal/mol.

Solubilidad: 1,85 gr Ca(OH)2/lt a 0°C ; 1,2 gr/lt a 25°C.

9.3. Propiedades químicas: a) Estabilidad: la cal viva como la dolomita son sustancias refractarias al calor como testimonio de sus altos puntos de fusión. b) Calor de hidratación: CaO con agua 1.140 kJ/kg; CaOMgO con agua 880 kJ/kg. c) Reactividad (con agua): se mide la diferencia de temperatura (40 °C) que se produce en un tiempo definido. Se clasifica en baja, mediana y alta reactividad. La reactividad se ve afectada por las impurezas del agua. La dolomita y la dolomita calcinada tienen baja reactividad por la presencia del MgO (inhibe el efecto de hidratación). d) Afinidad por el agua: la cal viva tiene una alta afinidad con el agua, lo que implica que sea un buen disecante, se usa como agente secante. Si la cal viva reacciona con el agua su volumen aumenta hasta casi 2,5 veces. e) Reacción con CO2: la cal viva reacciona bajo condiciones atmosféricas: CaO + CO2  CaCO3. La cal viva comercializable siempre tiene suficiente Ca(OH)2 producido por la reacción con el vapor de agua de la atmósfera: CaO +H2O  Ca(OH) 2 y Ca(OH) 2 + CO2  CaCO3 + H2O Las reacciones químicas anteriores suceden hasta que todo el CaO pasa a CaCO3. Las reacciones químicas del Ca(OH) 2 y CaO se desarrollan en la zona de enfriamiento del horno de cal bajo condiciones anormales (carbonatación en la superficie de los poros dando una baja reactividad para una densidad másica aparente dada). f)

Impurezas y arrastres: en muchas cales vivas altas en calcio, el CaCO3 es el 2° componente más abundante después del CaO. Para algunas aplicaciones el contenido de CaCO3 es considerado una sustancia inerte mientras que en otras un componente activo. El MgO no es considerado una impureza en la cal viva para la fabricación de acero, pero en niveles excesivos de 2 – 5 % no es conveniente para otras aplicaciones.

Elementos tales como: sílicio, aluminio, hierro y azufre que están presentes generalmente en la caliza, en forma de diferentes compuestos, se incrementan significativamente al calcinar la caliza con combustible sólido. Estas impurezas son altas en la fracción de finos del horno. Cuando los contenidos de sílice y alúmina en la cal están por sobre el 8%, el compuesto denominado cal puede adquirir propiedades de conglomerante hidráulico, pudiéndo endurecer tanto al aire como bajo agua, desarrollando en el tiempo resistencias mecánicas importantes para usos en el rubro de la construcción. Los niveles de arrastre de plomo, antimonio, arsénico, cadmio, cromo, molibdeno, níquel y selenio están ampliamente determinadas por las concentraciones en la caliza con la cual se fabrica la cal (algunos arrastres como el boro y mercurio son volátiles y pueden ser removidos en la calcinación). Altos niveles de sustancias tóxicas pueden contribuir a que la cal viva no sea aplicable para tratamiento de agua potable. g) Reacción con gases ácidos: el Ca(OH)2 que se encuentra en la cal viva comercializable, reacciona con los gases ácidos. Los gases ácidos secos no reaccionan inmediatamente con el CaO a temperatura ambiente. A temperaturas cerca de 350°C (inicio disociación del Ca(OH)2) el HF y el HCl reaccionan inmediatamente con el CaO. La reacción con sulfuros u óxidos es lenta. El ciclo del sulfuro en el horno de cal y desulfuración de los gases, es la siguiente: CaO + SO2  CaSO3

a temperatura de 980°C

CaSO3 + 0,5SO2  CaSO4

a temperatura de 1.370°C

CaO + SO3  CaSO4

a temperatura de 1.300°C

CaSO4 + CO  CaO + SO2 + CO2. h)

Reacción con metales: en ausencia de agua la cal viva no reacciona con los metales.

Reacción con el carbón: el carburo de calcio es producido por la reacción de la cal viva con el carbón a temperaturas entre 1.800°C – 2.100°C.

10. PROCESAMIENTO, ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE LA CAL VIVA. 10.1. Procesamiento: El objetivo del tratamiento de descarga del horno, ROK (run-of-kiln) de la cal es producir un número de categorías o tipos según el tamaño de partícula y calidades requeridos por los distintos segmentos del mercado. Los procesos unitarios usados incluyen el harneado, trituración, pulverización, molienda, aeroclasificación (ciclón) y transporte. Un buen diseño requiere: a)

Maximizar la producción de productos de primera línea.

Minimizar la producción de productos catalogados como clase excedente (generalmente finos).

Proveer una cierta calidad en cada producto.

Proveer flexibilidad para cambiar la producción de productos en respuesta a los cambios de demanda del mercado.

Un diagrama general se muestra a continuación.

Figura 16, diagrama de bloques de descarga del horno, Run Of Kiln.

10.2. Almacenamiento, manipulación y transporte: La cal viva se debe almacenar en condiciones secas, libre de corrientes de aire, para limitar el aire húmedo.

Lo anterior, porque la cal al entrar en contacto con el agua reacciona muy rápidamente, genera calor, por ser una reacción altamente exotérmica, esto implica no almacenarla cerca de materiales inflamables, se expande su volumen y se transforma en polvo. La expansión del volumen de las partículas de cal es la causa que provoca roturas de los envases que la contienen y por ende derrames de material en su alrededor. Los métodos de almacenamiento, manipulación y transporte usados, dependen del tamaño de partícula de los productos, la rotación de éstos en bodegas y la escala de uso. 10.3. Transporte: Los tipos de vagones cubiertos o tolvas (camión tolva), son generalmente los más económicos para el transporte de la cal viva en trozos o granulada, la cual ha sido harneada para remover los finos (<5 mm). Vehículos con descarga presurizada (camión silo) son usados para transportar cal fina o molida y también son usados para productos con un tamaño máximo de 20 mm. La cal viva es clasificada como un material irritante, pero no se requiere tomar precauciones o medidas especiales para su transporte por tierra. En algunos casos es usada una chaqueta que contiene agua en su interior para mantener la temperatura dentro del recipiente que contiene la cal. Se debe tener especial cuidado de que no exista ninguna fuga interna, para evitar que el agua sea excluida del cargamento y así evitar la hidratación de la cal, lo que libera calor y expande la partícula, aumentando su volumen 2.5 veces, ambas situaciones son peligrosas. Para su transporte en general, la cal es incluida dentro de la lista de los materiales corrosivos. a)

Tolva de recepción: La tolva de recepción, en la cual será transportada la cal viva, será construida de acero templado o concreto, y por razones de seguridad contará con una parrilla o escotilla. El mecanismo de descarga desde la tolva será lo suficientemente expedito, para asegurar que la cal sea descargada antes de la próxima entrega, evitando, o por lo menos, minimizando, las pérdidas que pudieran suscitarse durante esta operación.

Almacenamiento: Por lo general y lo más común es el almacenamiento en silos, estos deben ser herméticos y construidos de acero templado o concreto. Los silos cilíndricos con descarga cónica, el ángulo de inclinación de esta no será menor que 60° con respecto a la horizontal. Mientras que, los silos rectangulares con descarga de hoja, el ángulo de inclinación de esta no será menor que 55° con respecto a la horizontal. Los silos estarán capacitados con una entrada y equipos de seguridad. Un equipo de filtrado en la descarga puede ser apropiado.

Los silos también deben contar con un tablero de control para regular, mediante un equipo dosificador, la velocidad de la descarga de la cal al proceso de lechada o de alimentación en forma sólida al mineral fresco. Como regla general la apertura de la descarga no debe ser menor que 6 veces el mayor tamaño de material que comenzará a manipularse. Como existe mucho polvo, la cal fina o molida puede ser compactada, si no es así el silo debe tener ventilación, vibración o un dispositivo mecánico que evite el polvo en suspensión. Del mismo modo debe contar con algún tipo de fluidizador, que permita el flujo constante de descarga. En donde el consumo de cal es insuficiente, como para justificar la recepción en tolvas y el almacenamiento en silos, el producto será almacenado sobre una base de concreto, preferible en un compartimento separado dentro de una construcción para prevenir el excesivo aire húmedo.

11. MUESTREO Y CONTROL DE LA CAL VIVA. El muestreo de los productos, en este caso de cal, es requerido para el control de calidad, con el fin de valorar la conveniencia del producto o para monitorear la conformidad con respecto a una especificación predeterminada, la norma generalmente utilizada corresponde a la ASTM C-50. Los análisis se realizan para valorar las propiedades químicas, físicas y/o mecánicas de los productos. Todas las muestras de cal serán almacenadas de manera que la absorción de vapor de agua y CO2 se minimice. Bolsas plásticas selladas, con doble envoltura, han probado ser aceptables al ser usadas con muestras para largos tiempos de almacenamiento. Con todo lo visto anteriormente, para tener una buena evaluación del producto controlado, se requiere realizar análisis químicos que se expresan en forma porcentual, los análisis químicos comunes son: CaO total; CaO crudo; CaO requemado o combinado; CaO libre; CaO equivalente de la cal, pérdida al fuego o pérdida por calcinación El CaO total, se realiza con cualquier metodología clásica o instrumental. El CaO libre, se puede realizar según norma ASTM C-25 El CaO crudo se obtiene realizando análisis de CO2 en equipos apropiados para tales efectos. % CaO crudo = % CO2 *

56 44

56 corresponde al peso molecular del CaO y 44 el peso molecular del CO2. El CaO requemado o combinado, se obtiene por diferencia de los valores anteriores, según el siguiente balance: %CaO total = %CaO libre + %CaO requemado o combinado + %CaO crudo. La pérdida al fuego o pérdida por calcinación, se obtiene por diferencia de peso en la muestra recepcionada y el resultado obtenido una vez que ha sido sometida durante una hora al calor de 1000 °C. Este análisis junto al de CO 2 permite discriminar si el material esta crudo o semicalcinado o si fue hidratado previo al sometimiento de análisis, tanto en el muestreo como en la preparación de la muestra para el ensayo o prueba. % Pérdida al fuego o Ppc = % de CO2 + % H2O + elementos sublimables Es conveniente hacer notar que la sublimación de otros gases contenidos en la caliza son expulsados en la fabricación de la cal y en algunos de ellos no existe opción de ser absorbidos por la cal, a menos que sea utilizada para tales efectos y en el cual deja de ser óxido de calcio y adquiere el nombre de la nueva molécula que pueda formar, por ejemplo sulfato de calcio o yeso en el caso de absorción de azufre. Este es el motivo que la pérdida al fuego puede ser considerada como la suma descrita anteriormente. 63

Para obtener El CaO equivalente de la cal, se requiere contar con la caracterización química de los elementos que entregan o ceden grupos OH -, y los elementos que ceden protones o generan ácidos cuando son hidrolizados con agua y mediante balance másico entre los que entregan o ceden y los consumidores o generadores de ácidos, se obtiene la capacidad real de alcalinidad que puede generar la cal. Por otro lado, es conveniente tener presente que por lo general el control del consumo de cal se realiza en forma indirecta por medición de pH, esto cobra relevancia en los procesos en que el rango de trabajo fluctúa entre 0,2 a 0,3 unidades de este parámetro, porque como toda expresión exponencial, logaritmo base 10, el error puede no ser detectable y se puede interpretar que los consumos de cales de distinto CaO equivalente sean iguales, lo que teóricamente puede ocurrir en un estado ideal es que por cada 10 unidades de diferencias en el valor del CaO equivalente, el consumo promedio para un rango de 0,3 unidades de pH será de 1,5 % de mayor consumo por cada unidad de CaO equivalente, como lo muestra el cuadro siguiente: CaO equivalente 100 100 100 100 90 90 90 90 80 80 80 80

OHpH

pOH 10 9,9 9,8 9,7 10 9,9 9,8 9,7 10 9,9 9,8 9,7

4 4,1 4,2 4,3 4 4,1 4,2 4,3 4 4,1 4,2 4,3

moles/l 0,00010 0,00008 0,00006 0,00005 0,00010 0,00008 0,00006 0,00005 0,00010 0,00008 0,00006 0,00005

g/l 0,00170 0,00135 0,00107 0,00085 0,00170 0,00135 0,00107 0,00085 0,00170 0,00135 0,00107 0,00085

CaO Consumo de cal física g/l 0,00280 0,0028 0,00222 0,0022 0,00177 0,0018 0,00140 0,0014 0,00280 0,0031 0,00222 0,0025 0,00177 0,0020 0,00140 0,0016 0,00280 0,0035 0,00222 0,0028 0,00177 0,0022 0,00140 0,0018

Si se considera que el control de pH adolece de precisión y es común trabajar con diferencias de 0,3 unidades entre el mayor y menor valor requerido por la operación donde la cal es aplicada, considerar el cuadro anterior es muy relevante ya que las leves diferencias que se aprecian forman parte del error experimental y de los límites de detección de los análisis.

12. INDUSTRIA DE LA CAL. 12.1. Información general de la industria de la cal: La cal es usada en la fabricación de un amplio rango de productos, cada mercado con requerimientos particulares. Por ejemplo, la cal y los derivados de ésta es utilizada como agente fundente en la refinación de acero, como un enlazante en construcción y como precipitantes de impurezas en el tratamiento de aguas. También es utilizada extensivamente para la neutralización de componentes ácidos de efluentes y gases de chimeneas. Hay evidencias que el uso de la cal viva y la cal hidratada en construcción fue extendida ampliamente por muchas civilizaciones antes del siglo 1000 después de Cristo, incluyendo los griegos, egipcios, romanos, Incas, Mayas, Chinos e indios de Mogul. Los romanos conociendo las propiedades químicas la utilizaron para el blanqueado de linos y medicinalmente como agua de cal La cal viva o cal quemada, es el oxido de calcio (CaO) producido por descarbonatación de calizas de edad jurásica o travertinos, como también de coquinas, lo que interesa es el contenido de carbonato de calcio en ellas (CaCO3) y el contenido de otros elementos alcalinos o alcalino térreos. La cal apagada es producida por reacción, o hidratación, de cal viva con agua y consiste principalmente de hidróxido de calcio (Ca(OH)2). La cal apagada incluye cal hidratada (polvo seco de hidróxido de calcio) y lo importante de ésta es su superficie específica lograda en la hidratación, la que puede ser alcanzada mediante molienda y/o porosidad. La lechada y masilla de cal es una dispersión de partículas de hidróxido de calcio en agua. El término cal incluye cal viva, y cal apagada y es sinónimo con el término productos de cal. La cal, algunas veces se describe como productos de caliza, los cuales con frecuencia causan confusión. La producción mundial de cal ha aumentado considerablemente desde cerca de las 60 millones de toneladas en 1960, alcanzando un peak de al menos 140 millones de toneladas en 1989 y cerca de 300 millones el 2009. 12.2. Producción Mundial: Según el centro de información nacional de minerales del servicio geológico de los Estados Unidos (U.S. Geological Survey National Minerals Information Center) en lo referido a información y estadística de la cal, el año 2012, se produjo en el mundo más de 340 millones de toneladas comercializable, donde Asia y el Pacífico ocuparon un nicho del 70%; Europa y Eurasia Central: 16%; Norteamérica, América Central y El Caribe: 7%; Africa con el Medio Este 4% y Sudamérica el 4% cada uno.

PRODUCCIÓN MUNDIAL DE CAL AÑO 2012 [K/T] AFRICA Y EL MEDIO ESTE SUD AMERICA NORTEAMERICA, AMERICA CENTRAL Y EL CARIBE EUROPA Y EURASIA CENTRAL ASIA Y EL PACIFICO 0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

Gráfico 4: Producción mundial de cal año 2012

Sudamérica en la gráfica anterior no aparece con información de Bolivia y el autor tiene conocimiento de que en dicho país existe una producción artesanal y semiindustrial de cal. Chile, que representa el 8%, es el único país que aparece año a año, con un crecimiento sostenido de producción en el lustro 2008 a 2012, el resto de los países aparecen con una producción constante de cal, lo que permite concluir que la información de producción puede ser mayor a la indicada, debido a que junto a lo anterior, se conoce que en Colombia hubo instalación de un nuevo productor de cal en la zona y en Perú además de la instalación de un nuevo productor hubo una ampliación de un productor local.

Norteamérica, América Central y El Caribe, sólo reporta incremento de la producción Estados Unidos, los otros países mantienen su producción en dicho periodo.

Europa y Eurasia Central, sólo algunos países reportan cifras año a año con movimientos oscilantes, algunos importantes como España; Bélgica; Francia; Eslovenia; Reino Unido; Italia que representan el 32 % mantienen constante su producción para este periodo.

En Africa y el Medio Este, los países más importantes en producción de cal de esta zona, como Turquía; Sud Africa Irán que representan el 68% de la producción de esta región muestran cifras oscilantes.

En el Asia y el Pacífico, China que representa el 93% de la producción muestras cifras móviles.

Por lo tanto, si suponemos que el 2012 los que no reportan su estadística tuvieron igual producción que los años anteriores, la producción del 2012 bordeó los 340 millones de toneladas de cales de distinto tipo. Cifras que no reflejan el comportamiento del mercado ya que de no haber crecimiento de producción se puede sostener dos conclusiones, el consumo se mantuvo inalterable en estos 5 años, o bien disminuyó y puede existir una sobreproducción en la mayoría de ellos.

12.3. Producción en Sudamérica:

Gráfico 5: Producción en Sudamérica, año 2012.

En el año 2012, la producción fue algo superior a los 12 millones de toneladas, donde 4 países, Argentina (14%); Brasil (59%); Chile (8%) y Colombia (10%) produjeron el 92% de cal de dicho sector. Cabe señalar que tanto Argentina y Colombia el año 2012 produjeron más de 3.100.000 toneladas. 12.4. Producción en Norteamérica, América Central y El Caribe: PRODUCCIÓN DE CAL AÑO 2012 NORTEAMERICA, AMERICA CENTRAL Y EL CARIBE [KT]

Estados Unidos México Cuba Canadá Panama Nicaragua Costa Rica Martinique Jamaica Republica… 0

5.000

10.000

15.000

20.000

Gráfico 6: Producción en Norteamérica, América Central y El Caribe, año 2012.

En el año 2012, la producción fue de 24,5 millones de toneladas, donde 3 países: Estados Unidos (64%); México a (26%); y Canadá (8%), produjeron el 98% de la cal. Estados Unidos fue el único que muestra aumento.

12.5. Producción en Europa y Eurasia Central: PRODUCCIÓN DE CAL AÑO 2012 EUROPA Y EURASIA CENTRAL [KT]

Italia Ucrania Reino Unido Suiza Suecia España Eslovakia Eslovenia Serbia Montenegro Macedonia Rusia (Armenia ) Rumania Portugal Polonia Noruega Irlanda Hungría Alemania Francia Finlandia Estonia Dinamarca República Checa Croacia Bulgaria Bosnia y Herzegovina Belgica Austria Turkmenistan (Armenia ) Moldova (Armenia ) Kazakhstan Kyrgyzstan (Armenia ) Bielorusia Azerbaijan (cal para construcción) Albania 0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000 12.000

Gráfico 7: Producción en Europa y Eurasia Central, año 2012.

En el año 2012, la producción fue cercana a los 53,3 millones de toneladas, donde 12 países: Rusia (20%); Alemania (13%) Italia (11%) Ucrania (8%) Francia (7%) Eslovenia (5%); Bélgica; y España; (4% c/u); Bulgaria; Reino Unido; Rumania; y Polonia (3% c/u); produjeron el 84% de cal en dicho sector, donde sólo 6 de ellos, Bulgaria; Alemania; Polonia; Rumania; Rusia y Ucrania, muestran cifras variables durante 2008 a 2012. 68

12.6. Producción en Asia y el pacífico: PRODUCCIÓN DE CAL AÑO 2012 ASIA Y EL PACIFICO [KT]

Vietnam Taiwan Filipinas Nueva… Mongolia Corea del… India China Australia Japón 0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

Gráfico 8: Producción en Asia y el Pacífico, año 2012.

En el año 2012, la producción en el Asia y el Pacífico fue de algo más de 237 millones de toneladas, donde 2 países: China (93%); y Japón (3%), produjeron el 96% de cal en dicho sector. Ambos países muestran cifras variables de producción.

12.7. Producción en África y el Medio Este: PRODUCCIÓN DE CAL AÑO 2012 AFRICA Y EL MEDIO ESTE [KT] Zambia Emiratos… Uganda Turquía Tunisia Tanzania Sudafrica Senegal Qatar Arabia Saudita

Malawy Libia Lebanon

Kuwait Kenya Jordán Israel Irán Etiopía Eritrea Egipto Cyprus Congo… Congo… Algeria 0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

Gráfico 9: Producción en Africa y el Medio Este, año 2012

En el año 2012, la producción en esta región fue por sobre los 12,4 millones de toneladas, donde 7 países: Turquía (36%); Irán (22%); Sudáfrica (10%) Egipto (6%), Arabia Saudita; Emiratos Arabes Unidos; y Tunisia con 3% cada uno, produjeron cerca del 84% de cal. Cabe señalar que en esta información estadística no se contempla la producción cautiva de cal, aquellos que la producen, para su propio consumo.

Como lo muestra el gráfico 10, la producción de cal, desde el 2003 al 2012 ha tenido un crecimiento constante y sostenido

Miles de toneladas

PRODUCCIÓN MUNDIAL DE CALES 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0 Año Gráfico 10: Producción mundial, años 2003 a 2012

Es necesario señalar que esta información es publicada anualmente, con periodos de 5 años de producción de cal en el mundo, por el Centro de Información Nacional de Minerales del Servicio Geológico de los Estados Unidos de Norteamérica. Considerando que son cifras válidas las del 2012, aun así, los valores mostrados no dan una información completa, debido a que una significante porción de la producción total de cal, se fabrica en el lugar de uso, es una producción cautiva (ejemplo: la producción de cal de las siderurgias, el hierro y acero, producción de pulpa para papel kraft e industria del azúcar, etc.) esta cal, por lo tanto no ingresa al mercado y no se muestra en la información anterior. La asociación europea de cal, EuLa, estima que la producción mundial total de cal incluyendo la cal cautiva, es de 300 millones de toneladas. A nuestro parecer dicha cifra debe ser aún mayor, ya que a modo de ejemplo, en Chile hay más de un millón de toneladas de cal que es producida para propio consumo y tanto en Perú como en Bolivia la cal no está totalmente registrada dado su uso en la elaboración de drogas. En la mayoría de los países de la comunidad europea, la industria de la cal es caracterizada por compañías de tamaño medio y pequeño. Sin embargo, ha sido una tendencia creciente la concentración de años recientes, un número pequeño de compañías grandes internacionales ha obtenido una porción considerable del mercado. Es así como se han ubicado como los mayores productores mundiales las empresas Belgas: Lhoist con unos 100 hornos para una producción de 17 millones de toneladas; Carmeuse con una producción de unas 12 millones de toneladas; y Unimin con más de 2 millones de toneladas. Se agregan a estas 3 la empresa canadiense Graymont con 3,5 millones de toneladas socia de la mexicana Calidra

que produce 2,5 millones de toneladas. Estas principales empresas avalan una producción de más de 91 millones de toneladas Al parecer, hay todavía más de 100 compañías operando en la Unión europea. En Estados Unidos y Canadá hay cerca de 80 fábricas de cal. Mientras que en Sudamérica existe una gran cantidad de cal que se fabrica en forma artesanal, habiendo pocas fábricas industriales. La cal, mundialmente se comercializa, entre otros, en agricultura, construcción, siderurgia, acero, metales no ferrosos, medioambiente, pinturas industrias químicas, petroquímica, azúcar, papel y pulpa, carburo. En Sudamérica, hay una especialización sectorizada en el uso y aplicación de la cal. En Argentina, más del 60% de la cal se utiliza en siderurgia, construcción y estabilización de suelos, en Chile sobre el 90% de ella se utiliza en procesos mineros. En la Unión Europea, publican 238 instalaciones produciendo cal (excluye la producción cautiva) la que está distribuida como lo muestra la tabla 4: País Austria Belgica Dinamarca Finlandia Francia Alemania Grecia Irlanda Italia Portugal España Suecia Reino Unido TOTAL

Plantas de cal 7 6 2 4 19 67 44 4 32 12 26 6 9 238

Tabla 4: Plantas de cal en Europa

En Estados Unidos, según la National Lime Association, hay 69 plantas que corresponden a 16 fábricas.

13. APLICACIONES DE LA CAL. Diferentes tipos de cal son usadas para una gran variedad de aplicaciones. Una distinción es hecha entre cales calcíticas, cales dolomíticas y cales hidráulicas. La cales calcíticas son por lejos, las de mayor categoría y se suministran en forma granulada, molida e hidratada. Las cales dolomíticas son productos más especiales y se suministran en pequeñas cantidades en forma granulada, molida, hidratada y quemada a muerte. La cal hidráulica es parcialmente hidratada, contiene compuestos de conglomerante hidráulico y son usadas exclusivamente en construcción. Cada tipo específico de cal tiene cierta reactividad y el tipo de cal usada es gobernada por los requerimientos de la aplicación en un proceso específico. Una distinción entre la cal quemada a muerte, la cal quemada media y la cal quemada blanda, podría estar basada en que: la cal quemada blanda es la que tiene la más alta reactividad. Las propiedades de la cal dependen de la caliza alimentada, del tipo de horno y del combustible utilizado. Por ejemplo, hornos que queman carbón producen generalmente cal viva con mediana a baja reactividad, mientras que los hornos regenerativos de flujo paralelo producen cal altamente reactiva. La cal mayoritariamente se utiliza o se aplica como cal hidratada o apagada, salvo los procesos pirometalúrgicos en que es adicionada como cal viva. La cal hidratada dependiendo de la concentración de agua se puede obtener como polvo fino y seco (polvo de hidróxido de calcio), o bien como masilla de cal o por último, como lechada de cal (dispersión en agua de partículas de hidróxido de calcio). En Chile el uso de la cal está gobernado por la minería, le sigue papel y pulpa, agricultura y alimentos, protección al medioambiente, elaboración de reactivos químicos, hierro y fabricación de aceros y en menor escala la construcción, habiendo actualmente un incipiente desarrollo en la captura de SO 2 en la quema de carbón de las centrales térmicas de generación eléctrica y del SO2 de los gases fugitivos de las fundiciones de cobre. En Argentina el uso de la cal esta principalmente basado en aplicaciones en siderurgia; minería; tratamiento de aguas; construcción y celulosa o papel y pulpa. La cal a nivel mundial, cumple roles de acondicionador de medios; absorbente; caustificante; deshidratación, agente enlazante; floculante; fundente; hidrolizante; lubricante; neutralizante; solvente; y varios.

Acondicionador de medio

Amotiguador de pH Flotación de minerales sulfurados Cianuración de minerales auríferos argentíferos Obtención de sales de litio

Absorción

Como blanqueador Remoción de SO2 Pulpa de sulfito Almacenamiento de frutas

Caustificante

Soda cáustica Soda y pulpa sulfatada Lavado alcalino de gases

Deshidratante

Secado aéreo Petróleo Solventes orgánicos Alcoholes

Enlazante

Mortero, estucos, yeso Asfalto Estabilización de suelos Silicato de calcio Ladrillos silícicos

Fundente

Alumina Acero, hornos reverberos, hornos eléctricos, etc. Metales no ferrosos

Floculante

Azúcar Flotación de minerales Tratamiento de residuos Purificación de agua Tratamiento de aguas Pigmento en pinturas

Hidrolizante

Pulpa de algodón Grasa lubricante Reactivos orgánicos Amonio

Lubricante

Pozos de lodos de aceite Estirado de alambre Escurrimiento de relaves mineros Pulpas agua:minerales

Neutralizante

Aporte de catión calcio y/o anión oxhidrilo

Acidas Tratamiento de aguas y residuos Fosfato de calcio Tratamiento de RILES acido Residuos de explosivos Suelos agrícolas Drenaje ácido de mina y de roca Residuos radioactivos, uranio y cromados Colorantes Goma Construcción Stock de alimentos Cianamida de calcio Blanqueado sintético Carburo de calcio Insecticidas Abrasivos Vidrio

14. CAL HIDRATADA. 14.1. Producción: El término cal hidratada es ampliamente usado para describir la pulverización del Ca(OH)2 producto de hacer reaccionar cal viva con un exceso controlado de agua. Este producto, es esencialmente polvo muy fino y generalmente contiene menos de 1% de agua sin reaccionar. Este proceso se llama hidratación. La cal hidratada (Ca(OH)2) se produce mediante la hidratación de la cal viva con un volumen de agua controlado. CaO + H2O = Ca(OH)2 La hidratación de cal involucra agregar cal viva más agua en un hidratador. La cantidad de agua adicionada es cerca de dos veces la cantidad estequiométrica requerida para la reacción de hidratación. El exceso de agua es adicionada para moderar la temperatura generada por el calor de reacción y la conversión a vapor. El vapor, el cual es confundido con partículas, pasa a través del equipo de abatimiento o agotamiento previo a la descarga a la atmosfera. Existen muchos diseños de equipos pero técnicamente el hidratador consiste en pares de paletas que giran en contra del tornillo rotatorio, la que vigorosamente agitan la cal en presencia de agua. Una fuerte reacción exotérmica se produce, generando 272 kilocalorías/kg de CaO. (1.140 kJ/kg CaO) . El tiempo de residencia promedio de los sólidos en el reactor principal es de unos 15 minutos.

Figura 17: Diagrama de flujo de un hidratador de cal [EuLA, (Pfeiffer AG, Germany)]

El calor generado causa una ebullición vigorosa, la que crea una cama parcialmente fluidizada. El polvo es ingresado mientras el vapor es desarrollado. Si el polvo es colectado en un regador húmedo, se produce una suspensión de leche de cal, la que normalmente retorna al hidratador. Después de la hidratación, el producto es transferido a un clasificador aéreo, donde las partículas gruesas y fracción fina son separadas. Algunos o toda la fracción gruesa puede ser reciclada. La fracción fina es llevada a silos de almacenamiento. Desde los silos de almacenamiento es descargada a una tolva para el transporte o transferida a una planta de envasado, donde es almacenada en sacos o en containers intermedios. La finura de esta cal o superficie específica, depende de la temperatura de hidratación y de los aditivos adicionados para aumentar su porosidad. Entre los aditivos que pueden ser utilizados para aumentar la superficie específica del hidrato de cal mediante la generación de porosidad podrían ser: aceite de silicón; monoetilenglicol; dietilenglicol; trietanolamina; acetato de tea, etc, aunque también es factible de obtener esta característica mediante hidratación a alta temperatura con la adición de una pequeña porción de hidróxido de sodio, todo depende de la calidad y las impurezas de la cal que se pretende hidratar. 14.2. Caracterización físico química: a)

Propiedades físicas: a1)

Peso molecular: Ca(OH)2 74,09 gr/mol ; MgO 40,31 gr/mol.

a2)

Color: blanca; altos niveles de impurezas gris, café o amarillo.

a3)

Olor: ligero olor terroso.

a4)

Textura: tiene microcristales.

a5)

Estructura cristalina: Ca(OH)2 es simétricamente hexagonal. La comercial es de microcristales aglomerados.

a6)

Gravedad específica: Ca(OH)2 es 2,24 gr/cm3 ; dolomita hidratada 2,5 gr/cm3 y la parcialmente hidratada es 2,7 gr/cm3.

a7)

Densidad másica: densidad másica compactada 450 – 640 kg/m3, con un valor típico de 560 kg/m3.

a8)

Ángulo de reposo: depende del contenido de humedad y del grado de fluidización.

a9)

Dureza: 2 – 3 mohs.

a10) Índice de refracción: Ca(OH)2 es bi-refringente con índice de 1.574 y 1.545. a11) Calor específico: 0,270 cal/gr °C a 0°C – 0,370 cal/gr °C a 400°C. a12) Presión de vapor: 0,01 atm a 366°C – 1 atm a 547 °C.

a13) Solubilidad: 1,85 gr Ca(OH)2/lt a 0°C ; 1,28 gr/lt a 50°C ; 0,71 gr/lt a 100°C. a14) Calor de solución: Ca(OH)2 es 2.800 cal/mol a 18°C. a15) Velocidad de solución: depende de la distribución de tamaño de partículas de Ca(OH)2. a16) Punto de congelación: una solución saturada es aproximadamente – 0,2°C. a17) Conductividad electrolítica: para una solución saturada de Ca(OH)2 está en el orden de 10 mS/cm. b)

Propiedades químicas: b1) El pH en agua: el pH de una solución saturada es 12.55 a 25°C y 1 atm. Las impurezas pueden afectar este valor. b2) Neutralización de ácidos acuosos: Ca(OH)2, reacciona rápidamente. La velocidad depende en parte del tamaño de partícula. El calor de neutralización con ácido sulfúrico es 31.140 cal/mol y con el ácido clorhídrico es 27.900 cal/mol. b3) Gases ácidos: el polvo de Ca(OH)2, reacciona rápidamente. La velocidad depende en parte del tamaño de partícula y del grado de dispersión del hidrato. Reacciona con gases ácidos tal como óxido de sulfuro y nitrógeno como también con el CO2. b4) Impurezas y arrastres: Las mayores impurezas son el CaCO3, CaO y MgO. Otras impurezas menores son sílice, aluminio, óxido de fierro y sulfato de calcio. La importancia de las impurezas depende del uso que se le de a la cal hidratada. Por ejemplo en el tratamiento de agua para consumo, la cal apagada debe estar libre, entre otros, de antimonio, arsénico, selenio, níquel, cadmio, cromo. b5) Desinfección: aguas turbias y aguas residuales pueden ser desinfectadas adicionando cal hidratada hasta alcanzar un pH de 11 aproximadamente por 1 a 2 días. b6) Reacción con CO2: la cal hidratada reacciona rápidamente con el CO2 en ausencia de agua para toda temperatura bajo la temperatura de disociación. La reacción de la cal viva con el CO2 bajo 300°C sólo se produce en presencia del Ca(OH)2. CaO + H2O  Ca(OH)2. y Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O b7) Reacción con cloro: el Ca(OH)2 seco reacciona rápidamente con el cloro formando polvo de blanquear. 2Ca(OH)2 + 2Cl2  Ca(OCl)2 + CaCl2 + 2H2O.

b8) Reacción con carbonatos alcalinos (caustización): el Ca(OH)2 reacciona con metales de carbonato soluble, para producir carbonato de calcio insoluble e hidróxidos metálicos. Esta reacción se usa para producir soda cáustica. Ca(OH)2 + Na2CO3  CaCO3 + 2NaOH. b9) Reacción con sílica y alúmina: Ca(OH)2 reacciona con puzolana (material que contiene sílica y alúmina reactiva) en presencia de agua para producir silicatos y aluminatos de calcio hidratado. b10) Reacción con metales: Ca(OH)2 no reacciona con el fierro o acero, el cual es el material más comúnmente usado para construir plantas de preparación de cal hidratada y los sistemas de manipulación de esta. Si reacciona rápidamente con el aluminio y también ataca al plomo y al cobre. b11) Precipitación de iones metálicos: muchos iones metálicos son removidos de una solución, ajustando el pH de esta con cal hidratada. c)

Materias primas para la hidratación de la cal viva (cal viva y agua): c1)

La cal viva: Los factores que afectan la hidratación de la cal viva, para obtener un polvo fino y seco, son los siguientes. c1.1) Reactividad: La reactividad es la medida de la variación de la temperatura en un tiempo determinado. Influencia la velocidad, el tiempo de reacción y la distribución de tamaño de partícula en una concentración al 25% en peso. Cal viva altamente reactiva se hidrata rápidamente y produce partículas medianamente pequeñas. La cal viva con baja reactividad se hidrata lentamente y produce partículas de mayor tamaño que la anterior y es probable que en el mismo tiempo no esté hidratada completamente y puede llegar a contener arenilla. La norma ASTM, clasifica la cal viva con tres tipos de reactividad, según la temperatura desarrollada al mezclarla con agua en una concentración al 25% en peso: Cal altamente reactiva, si la diferencia de temperatura (∆T) de 40°C, ocurre en un periodo de tiempo  3 minutos y la reacción de hidratación se completa en 10 minutos. Cal medianamente reactiva, si el ∆T de 40°C, ocurre en un periodo de tiempo entre 3 a 6 minutos y la reacción de hidratación se completa en 10 - 20 minutos. Cal de baja reactividad, si el ∆T de 40°C ocurre en un periodo de tiempo > 6 minutos y la reacción de hidratación se completa sobre 20 minutos.

c1.2) Densidad másica aparente: ésta depende de la porosidad de la piedra caliza y del grado de calcinación de la cal viva. Entonces una cal viva producida desde una caliza porosa puede tener una reactividad similar que una producida desde una caliza densa, pero tienen diferentes características de hidratación. c1.3) Distribución de densidad de partícula: cuando, se requiere obtener polvo fino y seco, es significativo si está presente una proporción de partículas de cal de baja reactividad sobre calcinadas. En tal caso, es necesario mantener estas partículas en el hidratador hasta que reaccionen. Esto ayuda a prevenir que las cantidades de cal no hidratadas pasen al producto (en el interior de las partículas) causando expansión y deterioro. c1.4) La distribución de tamaño e impurezas: La distribución de tamaño de la cal alimentada y el nivel de impurezas pueden ser importantes, de manera de producir partículas de baja calidad en cuanto a impurezas como hidratación incompleta, lo que afecta al utilizar el polvo fino y seco de cal hidratada. La presencia de azufre en la cal viva afecta la reactividad, pero no genera efectos adversos en el proceso de hidratación. El MgO en la cal viva tiende a comenzar a sobre calcinarse y se hidrata muy lentamente. Otras impurezas en la cal viva causan la contaminación del hidrato. Cuando las impurezas se encuentran en las capas superficiales de la cal viva, pueden inhibir el proceso de hidratación. c2)

El agua: Algunas impurezas en el agua afectan la velocidad de reacción entre la cal viva y el agua cuando se quiere producir lechada de cal. Para la producción de cal hidratada los efectos son relativamente insignificantes, aunque es preferible usar agua blanda que ya tiene un tratamiento químico de sus impurezas, en vez de usar agua dura.

Aspectos fisicoquímicos de hidratación: La reacción química: A temperatura bajo los 350°C el componente de CaO de cal alta en calcio, generalmente reacciona rápidamente con el agua liberando calor (273 kcal/kg CaO). A altas temperaturas ocurre la reacción reversible. CaO + H2O  Ca(OH)2 + calor. El MgO de cales altas en calcio y de cal dolomítica, relativamente no reaccionan con el agua. Generalmente bajo el 25% de éstas reaccionan en condiciones normales de hidratación. CaOMgO + H2O  Ca(OH)2MgO + calor.

La cal dolomítica altamente hidratada generalmente es producida por la reacción de cal con el agua bajo condiciones hidrotermales (es decir, bajo presión de vapor a temperatura en exceso de 100°C en un autoclave). El calor de hidratación es 211 kcal/kg CaO. CaOMgO + H2O  Ca(OH)2Mg(OH)2 + calor. e)

Procesos físicos: La cal alta en calcio y la cal dolomítica parcialmente hidratada, son procesadas a temperatura aproximadamente cercana a los 100°C. Esta temperatura es alcanzada por adición de un exceso suficiente de agua, para moderar la temperatura de ebullición. En la práctica, con una cal alta en calcio, se adiciona aproximadamente el doble de la cantidad de agua estequiométrica. El exceso de agua comienza a descargarse a la atmósfera como vapor, después de absorber el calor de la reacción. El proceso de la hidratación de la cal se cree que proviene del desplazamiento del agua desde dentro de los poros de las partículas de esta. Entonces ocurre la hidratación, que está asociada con la expansión de las partículas y la liberación de calor dada la reacción exotérmica de la combinación agua cal. Estos efectos causan que la partícula se agriete exponiendo cada vez nueva superficie fresca al agua, en la cual puede salir más agua como vapor, hasta que la reacción finaliza, transformándose en forma natural sin mayor intervención que el agregado de agua, en un polvo fino y seco. El producto de esta reacción es una materia hidratada de gran consistencia, compuesta por un manto de finos cristales aglomerados. El agua sobrecalentada aumenta la producción de arena hidratada (producto no deseado), que se produce por el sobrecalentamiento de las partículas. De aquí la importancia de controlar la temperatura del agua. Este fenómeno se cree que ocurre por dos razones.

e1)

Las partículas de cal altamente reactivas pueden hidratarse tan rápidamente que el agua no penetra lo suficiente dentro de las partículas por causa que estas explotan. Como resultado en la partícula se puede formar un núcleo de cal no hidratada cerca de la superficie de la cal hidratada.

e2)

Una inadecuada agitación y/o accidentada adición de agua, puede conducir a la formación de zonas con un sobrecalentamiento en donde las partículas pueden aglomerarse y cocerse

Diseño de plantas de hidratación: Existen diversos diseños de plantas para la preparación de cal hidratada, pero un diseño general es el que se muestra en la figura 18.

Figura 18: Diagrama de bloques de la hidratación de cal

f1)

El hidratador: Este equipo en donde se produce el proceso de hidratación de la cal viva consta de tres secciones. f1.1) El prehidratado: Se produce la hidratación previa o primera hidratación, en donde la cal viva y el agua son altamente agitadas en un mezclador en forma rápida y eficiente. f1.2) El hidratado: Se produce la hidratación completa de la cal viva. Este provee el tiempo de residencia promedio entre 10 a 15 minutos. El calor generado producto de la reacción de hidratación genera la producción de vapor de agua excedente para la evaporación. El vapor producido fluidiza finalmente junto con la cal hidratada finamente dividida, a la etapa final. La arenilla formada por el agua sobrecalentada, la cual contiene CaCO3 y cal viva no hidratada, es retenida en el vertedero junto con el agua sobrecalentada. Esta arenilla puede ser removida a intervalos de tiempo, purgando el vertedero. En tal caso la arena es rechazada por uno de los extremos. Alternativamente la arenilla puede ser removida constantemente desde el hidratador por la purga.

f1.3) Etapa final: En esta etapa se debe asegurar un tiempo de residencia suficiente que asegure disminuir el nivel de cal libre o cal viva, CaO, de manera que se hidrate completamente y permitir la evaporación de la humedad excedente en el producto, para obtener un polvo fino y seco con una humedad inferior al 1%. g)

Control de plantas de hidratación: Algunas consideraciones generales a tener presentes. g1) Controlar la velocidad de alimentación de cal y agua de manera de mantener constante la razón de adición, en pro de obtener un producto de alta calidad. g2) Mantener una alimentación constante de cal viva de manera de poder ajustar el flujo de agua, para alcanzar las condiciones de temperatura y humedad requerida. g3) Evitar las mínimas variaciones en cuanto a la calidad de la cal viva, con el fin de producir un producto de calidad lo más constante posible. g4) Tener un control óptimo de la temperatura de la materia hidratada, ya que para una alimentación determinada, no debe ocurrir una caída o variación de la temperatura en la descarga del hidratador y/o en la etapa final, porque esto generará en el producto final un incremento en el contenido de humedad o lo contrario y quedará cal viva sin hidratar. g5) Es importante tener un implacable control sobre la humedad del producto, es así que se debe tener en cuenta el nivel de exceso límite de la humedad en la planta en general, dado que se deterioran rápidamente las propiedades físicas en la manipulación de la cal hidratada, cuando los contenidos de humedad están en el rango de 1,5 – 2%.

Manipulación y almacenamiento de cal hidratada: La cal hidratada, para aquellos usuarios que tienen uso restringido o utilizan pequeñas cantidades de cal, ésta generalmente es suministrada en pequeños sacos de papel y en recipientes de 0,5 a 1 tonelada. Los usuarios que consumen grandes cantidades en sus procesos, la cal hidratada es transportada y entregada en camiones silos con descarga neumática mediante aire presurizado a los silos respectivos de cada cliente. El flujo de cal hidratada puede variar ampliamente dependiendo del ángulo de reposo del material que varía de 0°, cuando está ventilada, y 90° cuando está compactada y/o húmeda. Las propiedades de manipulación no revisten problema con una humedad bajo el 2%. La cal hidratada absorbe CO2 de la atmósfera formando CaCO3 y agua, en un periodo no muy largo, a los 7 días ya ha absorbido el 12% del CO2 y ha perdido cerca del 50% de CaO libre, por ello se debe evitar este contacto en el almacenamiento.

Cuando la cal hidratada se suministra en bolsas de papel, el almacenamiento ideal es dentro de una construcción de ladrillo o concreto con el fin de minimizar las corrientes de aire. Si se tiene presente esta observación los paquetes pueden ser almacenados por largos periodos sin resultar con un deterioro significativo. Cuando la cal hidratada se suministra en camiones silos ésta se debe almacenar en silos herméticos que pueden ser fabricados de acero templado, concreto y/o fibra y deben estar completamente impermeabilizados. El transporte neumático siempre es una buena opción de transporte y tiene un costo relativamente bajo. Estos cuentan con un sistema de dosificación en la descarga. Para muchas aplicaciones una velocidad de dosificación suficientemente precisa puede ser obtenida usando un alimentador volumétrico. Cuando la exactitud requerida es muy alta es preferible usar un alimentador pesométrico. Es importante tener en cuenta la densidad aparente de la cal hidratada, ya que ésta varía según el tipo de almacenamiento que se elija. Cuando la cal está ventilada su densidad es 400 kg/m3, y cuando está compactada es de 560 kg/m3. La densidad de la cal hidratada es del orden de 480 kg/m3. Sobre este tema, el trabajo “An empirical study of factors influencing lime slaking. Part I: production and storage conditions” los autoresJ.H. Potgieter , S.S. Potgieter, S.J. Mojab, A. Mulaba-Bafubiandi mencionan que la cal producida durante la calcinación es un producto termodinámicamente inestable, ya que reacciona con el vapor presente en la atmosfera y forma una capa de hidróxido de calcio en alguna parte o completamente en el exterior de la partícula de cal viva. Como también, tiene una tendencia a invertirse o reconvertirse en caliza, carbonato de calcio, al reaccionar con el CO2 ambiental, ambas reacciones ocurren después de la producción de cal y principalmente durante el período de almacenamiento antes de ser utilizada lo que influirá en el comportamiento de apagado de la cal (Oates, 1998), este último fenómeno puede causar problemas operacionales en asegurar la capacidad de producción según la demanda de los consumidores y las expectativas en términos de reactividad, sin dudas que ambos se están refiriendo a la obtención de hidróxido de calcio como un polvo fino y seco.

15. LECHADA DE CAL. 15.1. Producción de lechada y masilla de cal: Este proceso se puede estudiar de varias maneras. Frank en 1974 usó curvas de apagado húmedo en el que graficó la temperatura vs el tiempo como una variable en la reacción del apagado de la cal con agua. Wiersma en 1998, usó un método de prueba basado en el cambio de conductividad de la lechada de cal durante el apagado. En esta investigación esto fue llamado “prueba de reactividad” y sería utilizado para investigar la influencia de varias condiciones en el proceso de producción y condiciones en el almacenamiento sobre el comportamiento del apagado de la cal. Se ha establecido (Potgieter et al, 2001) que esta prueba es una manera fiable de medir la velocidad de apagado o reactividad de la cal cuando se le adiciona agua. La conclusión importante de los estudios de Wiersma fueron que aunque la velocidad de apagado cambie, no depende del grado con lo cual esto ocurra. Este hecho tiene aplicaciones prácticas importantes en una operación de la planta de hidratación (para obtener un polvo fino y seco) lo que significa que una cal con calidad más pobre, puede ser utilizada si la reactividad no es una consideración mayor (lechada de cal), como por ejemplo algunos procesos de neutralización. La velocidad de apagado de la cal es influenciada significativamente por condiciones de producción y almacenamiento. Ambas la cal quemada dura y la cal apagada aérea y recarbonatada, significativamente disminuyen la habilidad de apagado de la cal. La cal apagada aérea tiene un efecto más dramático que la recarbonatación en la velocidad de apagado, como la cal apagada aérea precede a la recarbonatación, cataliza esta transformación. Indiferente a la velocidad a la cual se apaga la cal, parece que la cantidad que final y eventualmente se apaga sigue siendo aproximadamente la misma. La forma de obtener el máximo aprovechamiento de la cal en un proceso determinado, es adicionándola en solución mezclada con agua, ya que así es sustancialmente más lenta en sedimentar, que la cal adicionada directamente, y es casi dos veces más rápida en reaccionar. El término lechada es usado para describir un fluido con sólido en suspensión de cal apagada en agua. La lechada puede ser preparada a partir de cal viva como de cal hidratada, mezclándola con más de 10 partes de agua, que la cantidad teórica, para obtenerla con alto contenido de sólido en suspensión. La lechada de cal puede contener hasta 40% de sólidos, por lo que algunas veces es llamada lodo. La lechada contiene generalmente entre 10 – 15% de sólidos, y a medida que va aumentando el % de sólidos se vuelve en un compuesto semifluido denominado masilla de cal.

La masilla de cal es una dispersión espesa de cal apagada en agua, típicamente contienen entre 55 a 70% de sólidos. La pasta de cal algunas veces utilizada se describe como masilla semi fluida. Tanto la lechada, como la masilla de cal, son producidas por un apagado de la cal con un exceso de agua. 15.2. Cinética de apagado: a)

Principios del apagado:

La reacción química involucrada en la obtención de la lechada es la misma para la obtención de cal hidratada, como polvo fino y seco. CaO + H2O  Ca(OH)2 + calor La prueba más importante para determinar las condiciones óptimas de apagado, cuando la lechada de cal será utilizada recién preparada, es medir su reactividad en agua, específicamente se quiere saber cuanta temperatura aumenta en un tiempo determinado, caso contrario si la lechada será utilizada algunas horas después de su preparación, esta variable no tiene importancia alguna. La cal viva altamente reactiva reacciona inmediatamente con el agua y la temperatura aumenta en un menor tiempo. La velocidad de apagado de una cal viva medianamente reactiva puede aproximarse a la velocidad de una cal altamente reactiva, si es apagada con un volumen controlado de agua caliente, evitando que el agua alcance su punto de ebullición. Se debe tener en cuenta que se agrega un cierto exceso de agua fría para mantener la temperatura dentro de un rango. Ahora bien contrariamente una cal viva altamente reactiva, al usar demasiada agua fría puede verse afectada negativamente. Por ello, consecuentemente, es posible reforzar la eficiencia de una cal de mediocre calidad y dañar la de una cal de alta calidad, por alterar las condiciones de apagado. Si para el apagado se usa una gran cantidad de agua fría, se produce una reacción adversa denominada “ahogamiento”, en la cual se disminuye el aumento de la temperatura y se retarda, en algunos minutos, el proceso de apagamiento, resultando partículas de hidrato más gruesas con hidratación incompleta, las que continuarán con la reacción aguas abajo y generarán obstrucciones. Por otro lado si se agrega una gran cantidad de agua caliente, causa que el hidrato sea “quemado” debido a la generación de temperaturas excesivas en lugar de la temperatura deseada justo bajo el punto de ebullición del agua. Como también puede generar, en algún punto en particular, mayores concentraciones de cal viva que acumularán energía, la que será disipada masiva y repentinamente provocando explosiones. En general cuando se prepara lechada, la reactividad es simplemente una medida del aumento de la temperatura en un tiempo determinado que va a permitir poder calcular el tiempo de residencia que necesita la partícula de cal viva dentro del

molino, en donde se mezcla con agua para la producción de la lechada con un cierto tamaño de partícula y % de sólidos. En realidad la reactividad es un parámetro mucho más relevante en la preparación de cal hidratada en donde se quiere obtener un polvo fino y seco, con tamaño de partícula uniforme, con hidratación completa, y con una humedad del 1%, ya que al preparar lechada lo que se quiere es obtener una partícula en suspensión con un tamaño determinado, para que no sedimente fácilmente. Habiendo aclarado lo anterior siempre es importante conocer las variables que controlan el apagado de una cal viva. b)

Reactividad de la cal viva:

La reactividad es determinante en el efecto de la rapidez con que se transforma el CaO en Ca(OH)2. Cuando la cal viva es mezclada con agua, las partículas con alta reactividad cambian rápidamente, produciendo un alto nivel de sobresaturación con respecto al Ca(OH)2. Este podría resultar en una pesada nucleación primaria. Las partículas con menos reactividad, se transforman más lentamente y el grado de sobresaturación es lento, lo que resulta en el crecimiento de cristales sobre el núcleo primario, aumentando la sedimentación de las partículas. Tanto las cales vivas duras, blandas o medianamente calcinadas influyen en la velocidad de apagado y en el aumento de la temperatura. c)

Distribución tamaño de partículas de cal viva:

La velocidad de disolución de una partícula depende de la densidad aparente, de la capacidad de disolverse en el solvente adecuado y del tamaño de la partícula. De esta manera partículas finamente divididas de una alta reactividad se podrían hidratar primero, produciendo el núcleo primario. Las partículas más grandes o toscas con una baja reactividad se hidratan más lentamente, lo que podría contribuir en el crecimiento de cristales. d)

Temperatura del agua:

La solubilidad del CaO en agua es baja y disminuye rápidamente con el incremento de la temperatura. El alza de temperatura, en el caso de la cal, favorece la nucleación primaria. Ahora, como la reacción es altamente exotérmica, la hidratación inicial eleva la temperatura y acelera la hidratación de las partículas toscas con baja reactividad, por ello es importante dejar reposar la lechada para disminuir la temperatura y de ese modo, entre otros factores, aumentar su solubilidad, favoreciendo la respuesta de disociación química del hidróxido de calcio. e)

Cantidad y calidad del agua:

La adición de un volumen relativamente excesivo de agua fría para una cal de baja reactividad, puede resultar en el ahogamiento de esta. Bajo tales condiciones, la superficie de las partículas de cal viva se hidrata, demorándose más en desintegrarse y puede disminuir la nucleación primaria. Finalmente la cal no se

hidrata completamente, por ello es aconsejable en el caso de cal granulada, utilizar equipos molturadores que faciliten esta operación. En general la calidad del agua, químicamente, es fundamental debido a que sus impurezas pueden inhibir el proceso de apagamiento. Los cloruros, carbonatos y sulfatos son iones comunes y están presentes en muchas aguas y a menudo se encuentran en concentraciones altas en agua utilizada para preparar lechada de cal. Por otro lado, el óxido de magnesio es un constituyente común en muchas calizas y puede, después de calcinarse, también afectar la velocidad de apagado de la cal si está presente como óxido de magnesio. Esta velocidad de apagado está referida a la obtención de un polvo fino y seco, no así a la lechada de cal cuando su uso será varias horas después de ser preparada. Por otro lado el estudio de The influence of various common ions on the slaking of some South African limes de JH Potgieter, SS Potgieter, CA Strydom and O Gheevarhese, en su investigación encontraron que además de los iones indicados en el párrafo anterior, los nitratos reforzaron la velocidad de apagado y los fosfatos retardaron el apagado en varias cales de las utilizadas en el estudio. Hacen notar y fundamentan que el origen geológico de las calizas también influyeron en el apagado de las cales En el procedimiento experimental utilizaron 3 calizas que contenían desde 42 a 55% de CaO total, y entre las impurezas había sílice con valores entre 19 y 0,45% y R2O3 entre 0,31 y 3,5% a las que agregaron disoluciones molares de cloruro y nitrato de sodio y compararon las solubilidades de los cloruros y nitratos de calcio formado, esto lo realizaron con cal pura y cales obtenidas a partir de las calizas indicadas anteriormente, lo mismo repitieron para ver el efecto de sulfatos, donde agregaron a las distintas cales, disoluciones de carbonatos sulfatos y fosfatos de sodio, en todos los casos encontraron que éstos retardan la velocidad e influyen en la hidratación de todas las cales evaluadas, es conveniente indicar que fueron comparadas con un patrón de cal pura. Las curvas que entregan son claras al indicar el retardo en el efecto de los aniones aumentando en el siguiente orden: sulfatos menos que el carbonato y éste menos que el fosfato, lo que a juicio de ellos está de acuerdo con la disminución de las solubilidades de los correspondientes compuestos de calcio con estos aniones. También hacen notar que el efecto del origen geológico y la composición química de la caliza con la cual se confecciona la cal también juegan un papel importante en la velocidad de apagado de éstas, el anión nitrato refuerza la velocidad de apagado y el anión carbonato retarda la velocidad de apagado de cada cal. Lo que está de acuerdo en otros estudios realizados por el mismo autor (Gheevarhese et al, 2002; Potgieter et al, 2003 b) En esta investigación encontraron que el apagado ocurre a mayor grado en la siguiente secuencia: la cal pura es más rápida que la cal obtenida con caliza que contenía 42,37 % de CaO y ésta es mayor que la cal obtenida con calizas que tienen 55,34% de CaO y 49,47% de CaO. Entre otras conclusiones, indican que el aumento de apagado causado por la presencia de cloruros y nitratos y las disminución provocada por presencia de iones 88

de sulfatos, carbonatos y fosfatos, están cuantificadas y esto podría ser útil en las aplicaciones practicas de la cal en la industria Según el estudio “An empirical study of factors influencing lime slaking. Part II: Lime constituents and water composition” de JH Potgieter, SS Potgieter and D de Waal, cuyo propósito fue evaluar cuantitativamente el efecto de influencias de varios reactivos en la velocidad de apagado de la cal, si eran de un origen geológico o bien si estaban presente en el agua de apagado, encontraron que la presencia de iones cloruro en el agua de apagado aumentó la reactividad de la cal, mientras que los sulfatos y iones carbonato presentes en el agua de apagado retardaron la reacción desarrollada en la hidratación. El óxido de magnesio también presentó un efecto perjudicial en la velocidad de apagado de la cal. Se sometieron al procedimiento experimental muestras de cales obtenidas de los depósitos de calizas más puras de Sudáfrica, donde se obtuvieron cales con 94,1% de CaO total y como promedio 87,8% de CaO libre, 2,1% de MgO, 1,7% de R 2O3; 0,8% de SiO2; y 1,1 % de pérdida por calcinación. El procedimiento experimental básicamente consistió en monitorear el tiempo para una cantidad fija de cal molida con tamaño de partículas entre 1 a 2 mm, anotando el alza de temperatura de un volumen seleccionado de agua de 20 a 60°C. Adicionalmente se analizó en la investigación la velocidad de hidratación entre varias soluciones y la cantidad de arenilla producida durante el proceso del procedimiento de apagado. Para este propósito, la reacción de la mezcla cal con agua fue pasada por un tamiz con abertura de 0,5 mm después de la prueba de reactividad, lo racional de esto fue que cualquier cal apagada podía formar partículas muy finas de Ca(OH)2 que fácilmente pasarían por el tamiz, mientras que el material más grueso, no hidratado, parte de las impurezas, quedaría atrapado en el tamiz. El residuo rechazado por el tamiz, se secó en estufa durante 3 horas a 100°C y se enfrío, posteriormente se limpio suavemente con una brocha para quitar todo el polvo fino y dejar en el tamiz sólo las muestras mas gruesas, duras y sólidas. Este residuo obtenido finalmente, se pesó y se calculó el % de arenilla como porcentaje de la masa original de la cal utilizada en las pruebas. En la discusión de los resultados comentan que debido a la similitud en el comportamiento químico del calcio y el magnesio formado geológicamente en las calizas utilizadas para producir la cal, a menudo los contenidos o impurezas de magnesio son significantes, principalmente como MgCO3. Si la cantidad es alta, la caliza se denomina dolomítica y en casos extremos llega a ser igual que la dolomita. Es por lo anterior, importante evaluar el efecto de esta impureza en su comportamiento en el apagado. Por ello aumentaron las cantidades de MgO en la caliza calcinada y así poder determinar su comportamiento en el apagado. Sin embargo, indican que hay que tener presente que esto no refleja lo que ocurre realmente en la práctica, ya que el carbonato de magnesio se descompone a menor temperatura que el carbonato de calcio (CRC 1996) para el óxido correspondiente y, bajo operación práctica condiciona al horno de cal, tendiendo a ser quemada dura

si está presente en la caliza. Por consiguiente esto podría teóricamente disminuir la reactividad o velocidad de apagado de la cal. El efecto de contaminación con MgO en una calcinación natural ocurre en Sudáfrica, por lo que se simuló mezclando varias cantidades de MgO con cal viva. El efecto en la reactividad fue que cantidades pequeñas de MgO aumentaron la velocidad de apagado, dicho de otra manera a mayores cantidades de MgO disminuyó la velocidad de apagado. Aunque se conoce (Addis, 1994) que el MgO es más lento en hidratarse que el CaO, el aparente incremento inicial se puede explicar por el hecho que la adición fue de MgO químicamente puro y no quemado duro como ocurre generalmente en las prácticas operacionales. Por otro lado, fuera de la disminución de la velocidad de hidratación de la cal, un efecto interesante sobre el efecto del MgO, fue la cantidad de arena que se produjo, a mayor contenido de MgO agregado mayor contenido de arena encontrado, esto presenta consecuencias severas en el funcionamiento del apagador comercial donde la mayor producción de arenilla involucra un aumento en los costos de operación, de mantención, y disminuye la disponibilidad del mismo ya que requiere mayores tiempos para propósitos de limpieza A menudo el agua de proceso que se utiliza para el apagado de la cal normalmente contiene concentraciones altas de impurezas y en cada ciclo se aumentan aún más los contenidos de éstas, los más notorios son los sulfatos, carbonatos y cloruros, es conocido el efecto de estas impurezas sobre la velocidad de apagado de la cal. Sin embargo, (Oates, 1998) observó que relativamente hay poca información sobre este efecto en la producción de lechada de cal. Posteriormente Gheevarhese et al (2002) informó que los sulfatos en el agua de apagado retardan significativamente la reacción de hidratación, en varias cales sudafricanas, de varios orígenes geológicos Aunque el efecto de la impurezas en la solubilidad total del Ca(OH)2 puede ser calculado desde los inicios, tales cálculos no pueden cuantificar el efecto en la cinética de apagado. Dicho de otra forma, los principios de la solubilidad permiten que uno prediga que los cloruros, como CaCl2 son más soluble que el Ca(OH)2, por lo que deberían facilitar la disolución de la cal y por consiguiente acelerar la reacción del apagado. Al mismo tiempo, carbonatos y sulfatos, que forman compuestos de calcio más insolubles que el CaO, deberían retardar el proceso de apagado. Sin embargo, en ninguno de estos casos pueden estas influencias ser cuantitativamente predichas. Según los resultados, que indican, hay un relación directa entre la reactividad o velocidad de apagado de la cal y la concentración de cloruros en el agua, del mismo modo también éste incrementa la cantidad de arenilla, al parecer el cloruro al mejorar la solubilidad de la cal, deja que la arena se encapsule en las partículas de cal libre y esto aumenta la cantidad que quedó en el tamiz en esta prueba. El efecto del carbonato y iones sulfatos en el agua de apagado en la velocidad de hidratación de la cal, muestran claro que hay una relación lineal entre la velocidad de hidratación y la concentración de carbonato. Sin embargo, bajo estas

condiciones, la velocidad de apagado disminuye linealmente con el incremento de iones carbonato en el agua de apagado En otro gráfico, muestran que la cantidad de arena producida por el carbonato durante el proceso de apagado de la cal queda relativamente constante. Se puede atribuir este hecho probablemente a que las partículas de CaCO3 que se forman durante el proceso de hidratación son muy finas y pasan fácilmente por el tamiz que clasifica según tamaño en la prueba. El mayor contribuyente de arena, en este caso, son las impurezas insolubles normalmente presente en la cal y que se sueltan en el proceso de apagado. Puede también claramente ser visto, que una mayor concentración de sulfatos disminuye rápidamente la velocidad de apagado, aunque no linealmente. Esto corresponde a observaciones previas (Gheevarhese et al, 2002) cuando usó una técnica diferente de medición. La disminución en la velocidad de hidratación, en ambos los casos, donde iones carbonato y iones sulfatos que están presentes en el agua de apagado se puede explicar si se asume que las capas insolubles de CaCO3 o CaSO4 parcial o completamente cubren las partículas de cal y previene la amplia disolución o disminuye el proceso de disolución. Sin embargo, se puede concluir, que los datos presentados cuando se aumenta la concentración de ambos, en la misma proporción, la acción retardante de los carbonatos en la velocidad de hidratación es más severo para la misma concentración de iones sulfatos Se puede explicar esta observación teniendo en mente que el CaCO3 es menos soluble que CaSO4. Los datos referidos al efecto de varias concentraciones de carbonato y sulfato contenidos en la disolución sobre el porcentaje de arenilla obtenido, muestran que la cantidad de arenilla aumentó cuando los iones sulfatos estaban presentes en el agua de apagado. Al parecer desde observaciones visuales que el precipitado de CaSO4 formado cuando los iones sulfatos están presente, es más grueso que el CaCO3 formado en el proceso de apagado cuando están presente los iones del carbonato. Se puede concluir que el aumento en la cantidad de arenilla, en el caso, cuando iones sulfatos están presente no es debido exclusivamente cuando sólo hay impurezas solubles, sino también la presencia de precipitado grueso de CaSO4. Esta última contribución, por consiguiente causó alguna vez una cantidad creciente de arena comparado al caso previo, cuando los iones carbonato estaban presente en el agua de apagado y la cantidad de arena permaneció relativamente constante. Para diferenciar entre los efectos observados cuando aniones están presente, para ver si eso puede catalizar o acelerar la velocidad de hidratación de la cal simultáneamente, con otros que retardan el apagado de la cal, adicionaron diferentes concentraciones de cloruro en solución al agua de apagado de ésta, cuyas concentraciones fueron de: 0; 500; y 1000 ppm de aniones de sulfato y aniones carbonato respectivamente. En ambos casos el cloruro adicional aceleró la velocidad de apagado.

Los resultados obtenidos, en ambos casos el cloruro adicional aceleró la velocidad de apagado a valores más altos que los obtenidos en la presencia de iones que solo la retardan. La alta concentración de cloruro siempre causaba el efecto más grande. En ambos casos la reactividad de la cal disminuyó linealmente, con el efecto de ser el cloruro proporcional a su concentración. En el caso de las soluciones con contenidos de carbonato - no hubo una gran diferencia entre el efecto de las dos concentraciones de cloruro como lo hubo en el caso de las soluciones que contenían sulfatos. Las velocidades de hidratación en todas las soluciones que contienen carbonato y aniones sulfatos eran, dentro de error experimental, el mismo que con 500 mg/l de cloruro presente. Sin embargo, cuando a la concentración más alta de 1000 mg/l de cloruro, se observó una velocidad de apagado un poco más alta (169 comparado con 162) en las soluciones que contenían sulfatos. Juzgando desde las curvas, de los gráficos, es lo mismo: soluciones que contienen concentraciones suficientemente altas de cloruros tienen un efecto mayor sobre la velocidad de apagado de cal en soluciones que contienen también aniones carbonatos, que con similares que contienen simultáneamente aniones de sulfato. Desde una perspectiva práctica operacional esto indica una ejecución tan pobre del apagador se puede rectificar posiblemente agregando sal común a la mezcla de hidratación. Concluyen en su trabajo que: Si el MgO, está presente en cantidades pequeñas (< 2 to 3%) y si no está quemado duro, puede acelerar la velocidad de hidratación de la cal no viva. Sin embargo, tiene un efecto muy perjudicial en la cantidad de arena formada durante el apagado y éste, en aplicaciones prácticas, puede dañar el funcionamiento del apagador. La presencia de cloruros solo en el agua de apagado incrementa linealmente la velocidad de hidratación, mientras que el carbonato y los aniones sulfatos la disminuyen linealmente. Disoluciones que contienen aniones sulfatos, producen más arena que las que contienen aniones carbonato. Esto presenta complicaciones prácticas para el funcionamiento del apagador bajo condiciones de la planta. Los aniones carbonato tienen un efecto más grande para disminuir la velocidad de apagado de la cal que los aniones sulfatos, ambos sin y con la presencia de iones cloruro. Este trabajo por primera vez describe relaciones cuantitativas entre varias influencias del reactivo químico y su comportamiento en el apagado de la mayor fuente de cal viva sudafricana. Esperamos replicar esta experiencia con las cales chilenas para ratificar o rechazar las conclusiones obtenidas en esta importante investigación.

Velocidad de agitación:

Una baja velocidad de agitación ayuda a asegurar una adecuada dispersión de las partículas de cal en el agua. Reducen el riesgo de un sobrecalentamiento localizado, el cual puede conducir a un hervor localizado del agua sobrecalentada con la cal, generando incluso explosiones en el recipiente que las contenga. El agua sobrecalentada producida a altas temperaturas puede quemar o cocer las partículas de Ca(OH)2, resultando partículas arenosas e hidratadas parcialmente. Una alta velocidad de agitación acelera la velocidad de disolución incrementando la nucleación primaria. Estas reducen la aglomeración y causan el rompimiento de los cristales produciendo una nucleación secundaria. g)

Adición agua y cal:

El grado de aglomeración puede también reducirse por el apagado a una alta razón agua:cal. La adición de agentes dispersantes, tales como: el alcohol (metanol, etanol y butanol) y lignosulfonados al agua, reducen la aglomeración e incrementan la producción de partículas finas de Ca(OH)2. El azúcar el cual incrementa la solubilidad del Ca(OH)2, tiene un efecto similar aunque el mecanismo es probablemente diferente. A la inversa, la presencia de carbonatos duros, sulfitos y sulfatos en el agua (o cal viva), tienden a inhibir el proceso de apagado, resultando en una menor nucleación primaria e incrementando el crecimiento de cristales. Esta comparación se realizó entre un agua de consumo humano y agua destilada para el apagado de cal viva con idénticas condiciones, resultando partículas de Ca(OH)2 de 15 m y 3 m respectivamente. El ion cloro incrementa la velocidad de apagado ligeramente, pero no tiene un pronunciado efecto sobre el tamaño de partícula. El agua salada puede ser usada para apagado, con tal que no contenga excesivos niveles de iones inhibidores mencionados anteriormente. 15.3. Prácticas de apagado o de hidratación: Las prácticas de apagado varían con la calidad de la cal viva y el agua, y con las propiedades requeridas para la preparación de la lechada. Generalmente esto es conveniente al adoptar los procedimientos recomendados para el tipo de cal y el apagado, ya que ellos se familiarizan con las características del apagamiento de la cal viva y la ejecución de este. Típicamente las condiciones son controladas para obtener un tiempo de apagamiento de alrededor de 10 minutos, usando una razón de agua:cal de 3:1 a 4:1. Para algunas aplicaciones, puede ser necesario optimizar la práctica estándar para igualar las propiedades de la cal apagada para los distintos requerimientos de los procesos.

Prácticas de apagado batch o discontinuo:

Las propiedades de la cal apagada dependen, en parte, de la reactividad de la cal viva, pero puede ser alterada considerablemente ajustando las otras variables. Algunas aplicaciones requieren de cal apagada finamente dividida mientras que otras de partículas relativamente grandes o toscas. Para un conjunto de condiciones de apagado dadas, la cal viva de alta reactividad, produce una mayor nucleación primaria que las menos reactivas, y resulta en una baja proporción de partículas de tamaño mediano y una alta proporción de partículas pequeñas de menos de 1 m. La cal viva de alta reactividad produce una cal apagada con una aceptable cantidad de partículas finas si se adiciona un volumen limitado de agua fría con agitación. Cuando la temperatura de la suspensión aumenta de 70 a 90°C, se adiciona nuevamente cal viva y agua fría con el fin de mantener la temperatura en este rango. Si la cal viva de mediana y baja reactividad es hidratada con agua fría, se obtienen partículas relativamente toscas de cal apagada. Esta situación se puede revertir si se toman acciones para incrementar la velocidad inicial de apagado. Por ejemplo si la cal viva es triturada previamente (90% < 2 mm) y se le agrega una cantidad controlada de agua caliente para empezar el proceso de apagado. Ciertas impurezas en el agua reducen la velocidad inicial de reacción e incrementan las partículas de tamaño mediano. La lechada de partículas muy finamente divididas, producidas por prácticas tradicionales, se obtienen por adición de cal viva de alta reactividad, finamente molida (de 5 mm a polvo) con un volumen muy controlado de agua caliente. Esto puede producir un alto nivel de nucleación primaria. Posteriormente se le adiciona agua fría, con el fin de mantener la temperatura de la mezcla sobre los 80°C y bajo la temperatura de ebullición del agua. La nucleación secundaria puede ser incrementada utilizando una alta velocidad de rotación. Los agentes dispersantes pueden también ser usados si es aprobado por el cliente. Lo anterior está relacionado con cales que prácticamente no contienen impurezas, situación que en Chile no se da, dado que la materia prima para fabricar cal contiene entre un 6 a 8% de éstas, las que de algún modo contribuyen a perjudicar la hidratación, pruebas de laboratorio muestran que no es factible obtener el mismo tamaño de partículas hidratando la cal a temperatura ambiente, 23 °C, y a 80°C, entonces cabe realizarse la siguiente interrogante: ¿Por qué no usar cal de alta reactividad para aprovechar la energía de hidratación calentando el agua para iniciar la hidratación de la cal chilena? A mi juicio sería una forma de mejorar la performance de este tipo de cal. b)

Prácticas de apagado continuo:

En el apagado continuo, las nucleaciones primarias están siempre siendo recirculadas y reducen el nivel de sobresaturación. Como un resultado para las mismas condiciones, el apagado continuo tiende a producir distribución de tamaños

toscos de partículas a diferencia del apagamiento tipo batch. Si es requerido, este efecto puede ser compensado ajustando las condiciones de apagado. Indiferente de la práctica adoptada, el proceso de apagado de muchos tipos de cal viva fomenta la producción de arenilla. Esta puede surgir por la calcinación incompleta de partículas de caliza, la presencia de impurezas discretas, el agua sobrecalentada para la cal viva de alta reactividad y por el ahogamiento de la cal viva de baja reactividad. La arenilla en la lechada puede causar una variedad de problemas, tal como la abrasión de bombas y cañerías como también en el proceso mismo de la preparación de lechada. La arenilla tiende a decantar rápidamente y a no redispersarse, necesitándose de equipos anexos para removerlas. Existen tres caminos para evitar la producción de arenilla: (I)

El apagado se realice dentro de un molino de manera de disminuir el tamaño, mediante molienda, de la arenilla contenida dentro de las partículas.

(II)

Apagado con cal viva molida.

(III) Producir lechada a partir de cal apagada o hidratada. Por otro lado, la arenilla podría cumplir un rol importante en las plantas de lechada de cal, ya que si existe un buen manejo de la velocidad del transporte hidráulico de sólidos, éstas pueden ser utilizadas para disminuir, mediante abrasión o erosión, las incrustaciones que se producen por la presencia de CO2 en la lechada de cal, aumentando la velocidad de flujo, por ende consumiendo mayores cantidades de energía para lograrlo, aumentando la potencia de las bombas, disminuyendo el diámetro de la tubería, etc.. 15.4 Diseño de apagadores: (a)

Apagado batch:

El método tradicional de apagado usa una cuba de metal o madera. El agua caliente es adicionada por la base junto con la cal. Se utiliza una rastra para agitar el contenido. Se adiciona cal y agua fría para mantener la mezcla cerca del punto de ebullición del agua. Cuando la cuba está llena, la agitación continúa por 5 minutos. La lechada es descargada y pasada por una criba o harnero de manera de remover los trozos de caliza no calcinada y la arenilla. La tradicional batea apagadora es cilíndrica e incorpora una rastra en forma de cruz desde la cual cuelgan cadenas que mantienen suspendidas las partículas que decantan en el fondo. El agua y la cal son adicionadas progresivamente manteniendo la temperatura de la mezcla en el rango de 85 a 95°C. El estanque está capacitado con una descarga y un canal de drenaje a través de los cuales es removida la arenilla.

(b)

Apagado continuo:

Muchos apagadores consisten en un estanque agitado con un rotor y que pueden detenerse. Estos producen una fluida lechada y generalmente se utiliza una razón de alimentación en peso de agua y cal de 4:1. La cal viva es alimentada al apagador a una velocidad controlada y el agua es adicionada para mantener la temperatura entre 80 a 85°C. El estanque típico tiene un tiempo medio de residencia para el agua de 10 minutos. Las partículas con un lento apagado son retenidas hasta que reaccionan o son removidas como arenilla. 15.5 Almacenamiento y manipulación de lechadas: Muchos clientes requiriendo adicionar cal a sus procesos en forma de lechada, han encontrado que la lechada es la forma más conveniente para almacenar, manipular y aplicar en sus procesos. Teniendo ciertas precauciones, la lechada puede ser manipulada como un líquido. Además esta se dispersa bien en sistemas acuosos y tiene una alta reactividad química. 15.6 Almacenamiento: La lechada debe almacenarse madura o envejecida. Los efectos de maduración es decir, decantación lenta, incremento del volumen de producción y plasticidad, son beneficiosos para algunas aplicaciones. Estos beneficios, generalmente ocurren entre 12 a 24 horas de envejecimiento. El almacenamiento a temperaturas de 100°C, no es beneficioso debido a que estimula el crecimiento de los cristales, aumentando la decantación de partículas. Es muy importante contar con equipos auxiliares, para prevenir la decantación, que resulte en un sedimento difícil de redispersar. El almacenamiento en estanques, siempre debe ser agitado en forma constante. El grado de agitación puede ser bajo y ciertamente evitará la formación de un vórtice, el cual incrementa la absorción de CO2 desde la atmósfera. El tubo de descarga de un recipiente de almacenamiento, inevitablemente constituye una zona muerta, entonces el abastecimiento será hecho por retorno y descarga con agua, para remover las posibles obstrucciones. 15.7 Manipulación: La consistencia de la lechada depende de varios factores: como el tipo de cal viva, el tamaño de partícula, la reactividad, la razón agua y cal, la concentración de la lechada o el porcentaje de sólidos, temperatura del agua y de la lechada. Bajas concentraciones resultan al disminuir la viscosidad y puede mejorar la dispersión de la lechada. Generalmente, la viscosidad aumenta al disminuir la proporción agua : cal, incrementando la temperatura inicial del agua de apagado, aumentando la reactividad de la cal, agitando y en menor grado envejeciendo la lechada. Las lechadas que se transportan por tubería, deben mantener una velocidad constante que genere un flujo turbulento, por lo que se deben considerar las pérdidas por fricción que se producen.

Tanto los codos como los retornos, las válvulas, y las pendientes positivas, aumentan la pérdida por fricción, particularmente con las lechadas que contienen un cierto grado de arenilla. (a)

Desarenado, dilución y dosificación:

El desarenado se realiza para mejorar la calidad de la lechada, reducir la abrasión y el desgaste por erosión de los equipos. Para muchas aplicaciones, la lechada será desarenada (si es necesario), antes de almacenarla y aplicarla en el respectivo proceso. Muchos apagadores incluyen una sección de dilución en donde se ejecuta el desarenado. En donde no es el caso, la lechada es bombeada al estanque de almacenamiento y diluida a la concentración requerida. La elección de la consistencia de la lechada depende de varios factores. Bajas concentraciones resulta en la disminución de la viscosidad y puede mejorar la dispersión de la lechada en la corriente del proceso. Generalmente una concentración en el rango de 5 a 20% de sólidos hidratados es favorable. La concentración puede ser medida de buena manera por la gravedad específica. Las lechadas son generalmente dosificadas en los procesos. Esto involucra preparar una lechada de una consistencia nominal y adicionar una suficiente cantidad para producir el efecto requerido. El pH frecuentemente es usado como un parámetro de control. Una alternativa propuesta es para preparar una consistencia estándar y adicionar un volumen medido de lechada al proceso. La gran mayoría de los clientes del mercado de la cal, la usan en forma de lechada ya que así disminuyen el error de dosificación. (b)

Depositación de incrustaciones:

Las incrustaciones siempre estarán presentes en cualquier sistema de transporte de lechada y será mayoritario a medida que aumente el contenido de CaO crudo, el CaO requemado que contenga el producto, las impurezas asociadas en la cal o disminuya el agua de apagado de la cal viva. Las incrustaciones se producen mayoritariamente por la formación de precipitados y la sedimentación de estos. b1) Estos se producen probablemente por la escasa solubilidad en agua de los distintos tipos de cal. b2) Si la temperatura es demasiado alta, es factible que se deposite en el sistema una precipitación de cal en solución. b3) El CO2 puede introducirse en el sistema de transporte y favorecer la formación de carbonatos.

b4) En la operación de hidratación o apagado de la cal, las soluciones de cal tienden a sobresaturarse, esta sobresaturación será llevada hacia el sistema de transporte hidráulico de la lechada. b5) El agua utilizada para preparar las lechadas, pueden contener iones, los que reaccionan con el calcio contenido en la cal viva formando precipitados. Todo sistema de almacenamiento y manipulación debería considerar que algunas durezas de carbonato presentes en el agua para preparar o diluir lechadas, se depositarán como CaCO3, a menos que se tomen acciones apropiadas. Las incrustaciones se depositarán en las paredes de las cañerías, estanques de almacenamiento, hélices de agitadores, en el bastidor de las bombas, etc., afectando el rendimiento de estos, de la operación misma y en la propia calidad de la lechada. Existen 2 maneras de abordar el problema generado por las incrustaciones. (I)

Que el sistema esté diseñado para hacer frente a la formación de incrustaciones. (I.a) El uso de cubas (abiertas o con tapa removible) para alimentar la lechada por gravedad en el proceso. Esto puede de buena forma desincrustarse cuando sea necesario. (I.b) Usando cañerías de goma flexibles o de plástico que permitan romper las incrustaciones, para que después sean sacadas del sistema. (I.c) Limpieza periódica con equipos mecánicos. El uso de lingotes abrasivos en la superficie, los cuales se mueven en la cañería por la presión del agua es útil para remover las incrustaciones. (I.d) Usando distintos tipos de ácidos que permitan disolver las incrustaciones. (I.e) Retención de la lechada en un estanque de envejecimiento antes que sea introducida en el sistema de transporte.

(II)

Tomar acciones para prevenir o minimizar estas incrustaciones. (II.a) Usando agua blanda con un tratamiento que contenga poco o nada de carbonato para preparar y diluir la lechada. (II.b) Tratando el agua de apagado y dilución con hexametafosfato de sodio, el cual enlaza el ion calcio y previene la formación de incrustaciones. Una dosis de 8 a 12 mg/lt es generalmente suficiente. (II.c) Reciclando el sedimento de CaCO3 para suministrar semillas de cristales. (II.d) Usando un poli electrolito formulado para minimizar las incrustaciones. (II.e) Aplicación de calor directo sobre la sección desmontada de cañerías y accesorios. Los golpes calóricos provocan que la incrustación se quiebre y se desprenda con facilidad.

(II.f) El uso de lechadas con alto contenido de sólidos, normalmente entre un 10 a 15%. Al utilizar lechadas con alto contenido de sólidos, la precipitación ocurrirá sobre la superficie de la partícula, o sea en el área efectiva de esta, en vez que se posen sobre las paredes del sistema. (II.g) Los sólidos pueden ser mantenidos tan alto como sea posible, tomando en cuenta las limitaciones del sistema de transporte hidráulico de sólidos y la densidad deseada de la lechada. (II.h) Es recomendable trabajar a un flujo mínimo de 1,2 mt/s para minimizar la sedimentación en las cañerías. Habiendo resuelto el problema de incrustación, bombear la lechada por tubería no presenta algún problema significativo, siempre y cuando la lechada haya sido adecuadamente desarenada, la velocidad se mantenga cerca o sobre el valor indicado anteriormente. Cuando no se suministre lechada al proceso esta será recirculada y el número y la longitud de zonas muertas serán mantenidas en un mínimo. 15.8 Impurezas que aportan valor en la lechada: En la producción de lechada existen una serie de impurezas que pueden provocar problemas en la operación y en los equipos, así como también existen impurezas que de cierta forma son beneficiosas. La cal tiene distintos componentes que permiten alcalinizar pulpas de minerales. Entre otros, se tiene calcio, sodio, potasio y magnesio. Todos estos compuestos que al formar la lechada, aportan basicidad, por lo tanto, son capaces de aportar grupos OH-, para que la lechada actúe como agente regulador o estabilizador de pH. Por otro lado hay cales que contienen silicatos, alúmina y óxidos de hierro los que al hidrolizarse consumen grupos OH- disminuyendo la alcalinidad de la cal. En el proceso de alcalinización de una pulpa en un circuito de flotación, no tan sólo actúa la cal libre o CaO libre, sino que también es importante la acción de la cal combinada o CaO combinado (óxido de calcio en la forma de silicatos provenientes de la caliza), dando origen a un nuevo concepto “El CaO equivalente de la Cal” CaO equivalemnte = CaO libre + CaO combinado+ CaO crudo El CaO crudo dependerá del uso de la cal en su rol como neutralizador., Este presenta un pH natural de 8,2 El CaO combinado, corresponde al CaO formado a una temperatura mayor que la necesaria para descomponer el CaCO3, el cual se enlaza con la sílice formando silicatos cálcicos, con el aluminio formando aluminatos cálcicos denominándose escoria. Este presenta un pH natural de 12,6, afectando la reactividad de la cal y retardando la cinética de la hidrólisis de ésta. Las reacciones son las siguientes:

6 CaCO3 + 2 SiO2 + calor  2 (3 CaOSiO2) + 6 CO2 4 CaCO3 + 2 SiO2 + calor  2 (2 CaOSiO2) + 4 CO2 6 CaCO3 + 2 SiO2 + calor  2 (Ca3SiO5) + 6 CO2 4 CaCO3 + 2 SiO2 + calor  2 (Ca2SiO4) + 4 CO2 4 CaCO3 + Al2O3 + calor  4CaOAl2O3 + 4 CO2. Las que al hidratarse se hidrolizan formando: 2 (3CaOSiO2) + 6 H2O  3CaO2SiO23H2O + 3 (Ca(OH)2) 2 (2CaOSiO2) + 4 H2O  3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 2 (Ca3SiO5) + 6 H2O  Ca3Si2O73H2O + 3 (Ca(OH)2) 2 (Ca2SiO4) + 4 H2O  Ca3Si2O73H2O + Ca(OH)2 4CaOAl2O3 + 13 H2O  4CaOAl2O312H2O + Ca(OH)2. Otras impurezas como la presencia de carbonatos, sulfitos y sulfatos en el agua tienden a inhibir el proceso de apagado. El MgO en la cal viva, tiende a sobrecalentarse y puede hidratarse lentamente, provocando la expansión del hidrato. La caliza utilizada para producir cal puede contener altos niveles de sodio, NaCl o Na2CO3 los que reducen la sinterización en el horno para algunos tipos de cal, en cambio el SiO2, Al2O3 y Fe2O3, finamente dividido y disperso pueden incrementarla. El CaSO4 que se aloja en la superficie de las partículas puede inhibir los procesos de calcinación e hidratación. Ca+2 + SO4-2  CaSO4. 15.9 Formas de preparar lechada de cal: La lechada de cal se puede preparar a partir de cal hidratada, cal viva granulada, cal viva molida, cualquiera de estos tres tipos entregarán un producto viable para lo que será utilizado, la definición de uno u otro dependerá de las condiciones en las que se utilizará. Es decir, si en la zona hay escasez de agua y el lugar de uso de la lechada es cercano a una planta productora de cal, se puede utilizar cal hidratada, de otra manera saldrá más onerosa debido a que la cal hidratada por un lado contiene cal viva y a lo menos un 32% de agua, lo que afecta tanto al precio como al transporte del producto debido a que se transportará agua a valor de cal. Por otro lado, la cal hidratada es un polvo fino y seco cuya densidad aparente no es más allá de 0,70 t/m3, por lo que también tendrá una incidencia en el transporte, ya que se requerirá un equipo de mayor tamaño, comparado con los que transportan cal viva cuya densidad es del orden de 1,1 t/m3, para poder cargar las 30 t. máxima permitida en carretera. 15.10 Preparación de lechada de cal a partir de cal hidratada: Se requiere contar con un agitador que permita la mezcla de la cal agua según la concentración máxima que requiera el proceso en la cual es utilizada. Para agregar la cal al agitador, se requiere un sistema de alimentación volumétrico o pesométrico que permita controlar el agregado de cal respecto del agua adicionada para mantener la concentración deseada. Esta es la forma más fácil de

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preparar lechada de cal ya que es una simple mezcla de un sólido con un líquido, donde no se desarrollan reacciones químicas de índole alguna. Un esquema básico y simple podría ser: Cal hidratada, Ca(OH)2

Agua

Agitador mezclador

Agitador para almacenamiento de lechada de cal

Dosificación, aplicación y uso Figura 19: diagrama de bloques preparación de lechada de cal

La relación agua : cal sólo es importante para mantener la concentración deseada en la lechada, con el fin de evitar, sobre presiones de vapor, embancamiento del agitador mezclador, taponamiento o incrustaciones de las bombas impulsoras o de las tuberías y válvulas utilizadas en el transporte hidráulico de la misma, etc. 15.11 Preparación de lechada a partir de cal viva: En este caso al igual que lo anterior, se agrega un factor muy importante y que está relacionado con la reacción exotérmica al mezclar la cal con el agua, donde se genera vapor que requiere ser evacuado para evitar sobre presiones que pueden llegar a generar explosiones, y requiere un tiempo de residencia apropiado para que la cal desarrolle su cinética de reacción en el lugar de mezcla y no en el interior de los equipos involucrados en su transporte como pueden ser bombas, tuberías o válvulas. Lo anterior debido a que la cal viva al reaccionar con el agua produce un cambio cristalográfico, químicamente pasa de CaO a Ca(OH)2, físicamente la partícula sufre una expansión de 2,5 veces su volumen original, por lo que si no tiene el espacio adecuado para esta expansión, se generarán los taponamientos correspondiente. 15.12 Tipos de plantas de preparación de lechada de cal: La lechada de cal puede ser preparada en diversos tipos de plantas que van desde la molienda horizontal, molienda vertical y actualmente aprovechando la capacidad propia de molienda que genera la cal al mezclarse con agua, existen las plantas de lechada compactas, que no incluyen molienda. a)

Lechada con molienda horizontal:

Un silo recibe la cal en forma neumática desde un camión silo presurizado, en la parte superior tiene un filtro para la separación de sólido/aire.

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En la parte inferior, el silo está provisto de dispositivos que facilitan el ingreso de la cal hacia el sistema de alimentación al molino. La alimentación al molino puede ser desde una correa pesométrica hasta un tornillo volumétrico. La cal se alimenta al molino junto con el agua, al interior de éste se genera la reacción de hidratación y el sólido sufre la expansión propia por la reacción química y libera calor, para ello el sistema cuenta con un extractor de vapor, el que necesariamente debe ubicarse en dirección contraria a la alimentación de la cal. La función del extractor de vapores está asociado a evitar que el vapor generado en la hidratación de la cal se dirija hacia el canal de alimentación de cal sólida y provoque hidratación en esta zona generando obstrucciones y embancamientos. Para lograr la molienda del material crudo y requemado contenido en la cal, se instala un sistema de separación de finos y gruesos, que cumple la función de reenviar los gruesos al molino y los finos al estanque de almacenamiento de lechada de cal, la que posteriormente es enviada al estanque de alimentación al proceso en la que será utilizada. La presencia de estos compuestos en la cal por lo general aumentan la carga circulante en la molienda produciéndose mayores gastos de energía para alcanzar los objetivos de finura.

Figura 20: diagrama planta de lechada con molienda horizontal.

En Chile existen 4 operaciones en minería que utilizan este sistema:

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Molienda horizontal MOLINO DE BOLAS

Capacidad [t/h]

Codelco Chuquicamata 1 Codelco Chuquicamata 2 Codelco El Salvador Carmen de Andacollo Codelco El Teniente Colón

9 6,5 3 8,4 16

Tabla 5: productores de lechada de cal con molienda horizontal en la zona norte de Chile

Lechada con molienda vertical:

La cal también es recibida como se explica en el punto anterior mediante camiones silos con descarga neumática presurizada. El molino en su interior cuenta con una zona magnética donde se adhieren las bolas para proteger su recubrimiento y carcaza La cal es alimentada, en forma volumétrica o pesométrica, al molino junto con el agua, al interior de éste por diferencia de peso específico de la cal viva con el agua, la cal tiende a hundirse y en la reacción con el agua, se genera su expansión, rompimiento, cambio cristalográfico y disminución de su densidad, siendo ésta última menor que la del agua, por lo que comienza a emerger hacia la superficie y por rebose es traspasada al cajón que tiene instalado el extractor de vapores. En este cajón se mantiene en suspensión y con bomba es enviada hacia el sistema de separación de finos y gruesos, los gruesos vuelven al molino y los finos son enviados hacia los estanques de almacenamiento los que alimentan los procesos en la que ésta es utilizada. Al igual que el caso anterior, la presencia de cal cruda y requemada en el producto incrementa la carga circulante, aumenta los consumos energéticos de molienda.

Figura 21: molinos verticales utilizados en la preparación de lechada de cal.

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Un diagrama general de este tipo de planta es el siguiente:

Figura 21: planta de lechada de cal con molienda vertical

En Chile existen las siguientes empresas con este tipo de plantas de preparación de lechada de cal: Molienda Vertical MOLINO DE BOLAS Collahuasi 1 Collahuasi 2 Codelco Chuquicamata Escondida Los Colorados Escondida Laguna Seca Candelaria Los Pelambres 1 Los Pelambres 2

Capacidad [t/h] 10 14 5 19 35 5 10 10

Tabla 6: productores de lechada de cal con molienda vertical en la zona norte de Chile

Lechadas preparadas en plantas compactas:

Existen dos tipos de estas plantas, las que utilizan cal viva molida y las que utilizan cal viva granulada, la diferencia, entre otras, para reconocerla, es que la planta que utiliza cal viva granulada tiene un dispositivo que permite sacar del sistema el material grueso que no se transforma en cal hidratada y que se denomina grit o arenilla. La particularidad es que la planta que posee el dispositivo para sacar la arenilla también puede utilizar cal molida y el harnero de separación de ésta es más fino, lo que permite una lechada con partículas más finas, al realizar esta separación. Su nombre se debe a que debajo del silo se encuentra la planta de preparación de la lechada de cal.

Figura 22: Planta de preparación de lechada de cal sin separación de arenilla

Figura 23: Planta de preparación de lechada de cal con separación de arenilla

En la planta que no separa la arenilla, la cal es alimentada desde la parte inferior del silo hacia un estanque agitador donde se prepara la lechada que es enviada al estanque de almacenamiento que alimenta el proceso donde es utilizada. La planta que separa la arenilla, debajo del silo alimenta la cal a un estanque donde prepara la lechada de cal, la que es enviada hacia el harnero que remueve y separa la arenilla de la lechada de cal y debajo de éste se encuentra el estanque de lechada de cal que la envía al estanque final de almacenamiento y alimentación al proceso. Existe una modificación a este tipo de planta que consiste en el tipo de hidratador utilizado para la preparación de lechada, se le ha incorporado un hidratador para pasta, esto con el fin de alimentar cal más gruesa sin eliminar la arenilla.

Figura 24: Planta de lechada de cal sin separación de arenilla e hidratador para masilla o pasta de cal

En Chile existen 9 empresas que utilizan, indistintamente los tres tipos de plantas compactas en sus diferentes faenas cada una.

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Sin molienda PLANTAS COMPACTAS SQM Nueva Victoria 1 SQM Nueva Victoria 2 SQM Salar de Atacama Mantos Blancos Altonorte ENAMI, Paipote COEMIN ESPERANZA CODELCO Andina 1 CODELCO Andina 2 CODELCO El Teniente, Caletones CODELCO División Ministro Hales Tostación CODELCO División Ministro Hales Flotación Molymet AES Gener Ventanas 1 AES Gener Ventanas 3 AES Gener Ventanas 4 AES Gener Angamos 1 AES Gener Angamos 2 AES Gener Cochranne 1 AES Gener Cochranne 2 AES Gener Guacolda 1 AES Gener Guacolda 2 AES Gener Guacolda 4

Capacidad [t/h] 0,5 0,5 6,0 7,5 1,0 1,5 2,7 7,0 5,0 7,0 7,0 16,0

Tabla 7: productores de lechada de cal con plantas compactas en la zona norte de Chile

Estanques agitadores para la preparación batch de lechada de cal.

Para consumos menores de cal, existen diseños de plantas de lechada de cal batch, que utilizan cal viva molida, son más económicas que las plantas compactas y funcionan tan eficientemente como las anteriores. Reciben la cal desde un camión silo presurizado, con un sistema apropiado alimenta la cal desde el inferior del silo hacia una tolva pequeña que la alimenta en forma pesométrica o volumétrica hacia un estanque agitador desde donde es enviada al lugar de aplicación de la lechada.

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Figura 25: Planta de preparaciรณn de lechada de cal en forma batch, sรณlo con estanque agitador

En Chile existen 4 empresas que utilizan, este tipo de plantas.

Agitadores con cal viva molida Ojos del Salado Punta del Cobre Enami Planta Matta Atacama Kozan

Capacidad [t/h]

0,20 0,20 0,12 0,10

Tabla 8: productores de lechada de cal en forma batch con estanque agitador en la zona norte de Chile.

15.13 Muestreo y control de la lechada: El muestreo de la lechada, puede ser requerido para el control de proceso, para la valoraciรณn de su conveniencia, para una aplicaciรณn en particular, o para monitorear de acuerdo a alguna especificaciรณn.

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El testeo se realiza para valorar y controlar las propiedades químicas, físicas o mecánicas de la lechada. Se debe tener en cuenta que la lechada así como la cal apagada absorben CO 2 desde la atmósfera por la exposición durante el muestreo, la preparación de la muestra y el almacenamiento, es por ello que se deben tomar las medidas preventivas necesarias para minimizar este efecto. 15.14 Control de planta de lechada: Debido a la incidencia de la lechada en el proceso en que es utilizada, es necesario implementar un adecuado control sobre la planta utilizada para la preparación de lechada, en cuanto a optimizar las variables que inciden en la preparación de ésta, para que aparte de tener una suspensión de buena calidad química, se obtenga una lechada con una adecuada calidad física, que resguarde la operatividad de la planta y los equipos que serán utilizados para su transporte al lugar de aplicación. Conseguir este objetivo implica estudiar de las diferentes plantas de producción de lechada, para realizar diagnósticos de los equipos, del funcionamiento de la planta de lechada y la preparación misma, en vías de poder mejorar la operación y optimizar los consumos de cal. También es conveniente auditar la preparación de lechada de cal con el fin de unificar criterios entre los operadores. Esto permite mantener la estabilidad en su dosificación, como también optimizar la programación de preparación de ésta. Por otro lado, es factible realizar simulaciones en software que permiten en un computador personal, hacer modificaciones al hidrociclón (mover el apex y el vortex) para cuantificar lo que se obtendría en la operación, sin tener que intervenir en la planta real, lo que una vez aplicado al proceso mejorará notoriamente el rendimiento operacional de ésta. Lo anterior, permite disminuir horas operacionales de la planta de lechada de cal, con sus consiguientes ahorros de energía, de mantenciones, aguas, etc. como también, mayores tiempos de disponibilidad de la planta y del personal. Los beneficios asociados en el servicio de preparación de lechada de cal, son tanto para el usuario de ésta, como para el proveedor de cal.

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ACTIVIDAD EN LA PREPARACIÓN DE LECHADA DE CAL

BENEFICIOS USUARIO

PROVEEDOR

Recepción de cal en el silo de almacenamiento: Eliminar la humedad del aire comprimido Controlar el nivel de stock. Implementar sistema de extracción de aire. Controlar la presurización del camión

Evitar tanto la hidratación que distorsiona los consumos, como los derrames, pérdidas, accidentes y contaminación ambiental Permitir despreocuparse del control del insumo

Obtener un conocimiento real del consumo de cal, Optimizar la logística del transporte y del producto con la consiguiente mayor duración del equipo de transporte

Dosificación de cal al molino: Peso métrica o volumétrica

Asegurar la cantidad y controlar la densidad de la lechada. Disminución de pérdidas de cal

Conocimiento real del consumo de cal

Dosificación de agua al molino: Flujo Temperatura (> 0 y < 75°C) Calidad

Optimizar el consumo de agua fresca. Asegurar la adición de agua y regular la temperatura de preparación. Asegurar la vida útil de los equipos. Disminuir las mantenciones de equipos y las pérdidas de cal. Evitar accidentes

Asegurar un uso optimo del producto

Molino preparador de lechada de cal Tiempo de residencia. Carga de bolas Levantadores Velocidad de rotación Temperatura (<75°C)

Optimizar molienda y rendimiento. Asegurar granulometría y tiempo de residencia. Evitar accidentes por sobrepresión

Evitar reclamos por tamaño de partículas

Cajón de distribución Granulometría Densidad Control de nivel y temperatura Velocidad de agitación Posición del agitador Estado de las paletas Incrustación y sedimentación Medición de amperaje

Controlar funcionamiento del molino, el % de sólidos y cuidado de los equipos. Evitar derrames, cavitación de bombas Disminuir pérdidas de cal, evaporación de agua y sedimentación de lechada Optimizar tiempos para mantenciones. Mejorar capacidad útil de los equipos Prolongar vida útil del agitador Detectar anomalías Evitar embancamientos

Asegurar tamaño de partículas, concentración de la lechada.

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Hidrociclón Definir tamaño óptimo de partícula Controlar la granulometría, las mediciones de flujo y de presión

Evitar sedimentaciones, embancamientos, pérdidas. Controlar tamaño de partículas. Optimizar eficiencia Prolongar vida útil de los equipos Detectar anomalías

Conocer comportamiento del hidrato obtenido con la cal que provee, en cuanto a tamaño de partícula y velocidad de sedimentación.

Estanques de envejecimiento y de alimentación de lechada de cal Controlar estado de incrustaciones Medición de niveles Controlar estado de deflectores Controlar y asegurar flujos de alimentación y descarga

Maximizar capacidad de equipos Disminuir pérdidas de cal. Evitar derrames, cavitaciones de bombas.

Valorización del servicio

Agitadores Velocidad de agitación Posición del agitador Estado de paletas Incrustación Sedimentación Medición de amperaje.

Disminuir sedimentación, pérdidas. Optimizar mantenciones, capacidad útil de los equipos, Prolongar vida útil de los mismos y detectar anomalías.

Conocer comportamiento que sigue la arenilla en la lechada, velocidad de sedimentación y aumento del esfuerzo de fluencia.

Control de calidad Densidad CaO equivalente Flujos de salida y retorno

Asegurar concentración Optimizar cálculo corregido de consumos de cal Conocer consumos reales de lechada

Evitar reclamos por calidad de la cal.

Observaciones generales al proceso Mediciones de flujos y presión. Verificar estado de válvulas, tuberías e instrumentación Revisar tableros y lazos de control Bombas

Prolongar vida útil de los equipos. Detectar anomalías Evitar mantenciones correctivas

Otorgar valor a los clientes

Tabla 9: beneficios para el usuario y el proveedor en cada actividad de una planta de preparación de lechada de cal

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Las justificaciones de las acciones a realizar en una planta de lechada pueden ser: ACTIVIDAD EN LA PREPARACIÓN DE LECHADA DE CAL Recepción de cal en el de almacenamiento: Eliminar humedad del comprimido Controlar nivel de stock. Implementar sistema extracción de aire. Controlar presurización camión

JUSTIFICACIONES ¿PARA QUÉ? silo Para tener conocimiento del consumo real de cal. aire Optimizar logística del transporte y producto Evitar derrame, pérdidas, de contaminación ambiental y accidentes. del

¿POR QUÉ? Distorsiona los consumos por la hidratación de la cal (aumenta su volumen 2,5 veces) Asegura alimentación continua Disminuye consumos de cal.

Dosificación de cal al molino: Peso métrica o volumétrica

Asegurar la cantidad requerida según el flujo de agua para mantener la razón agua-cal. Evitar pérdidas para disminuir consumos de cal

Se controla el Cp (10 a 15%) y la densidad de la lechada requerida. Optimizar la recuperación metalúrgica.

Dosificación de agua al molino: Flujo Temperatura (> 0 y < 75°C) Calidad

Asegurar y mantener la razón agua-cal Mantener controlada la temperatura de reacción Asegurar vida útil de equipos Disminuir mantenciones y pérdidas Minimizar formación de residuos sólidos

Se controla el Cp (10 a 15%) Se evita el congelamiento del agua Se aumenta la solubilidad de la cal Las durezas del agua pueden precipitar La acidez del agua aumenta el consumo de cal

Molino preparador lechada de cal Tiempo de residencia. Carga de bolas Levantadores Velocidad de rotación Temperatura (<75°C)

Lograr molienda optima manipulando las variables del molino, alimentación y carga circulante. Asegurar calidad y cantidad de elementos de cuerpos molturadores Asegurar que levanten el material y elemento de molienda para provocar el refinado. Asegurar el tiempo de residencia según la alimentación Evitar accidentes por sobre presión.

Asegura tamaño de partícula óptimo y maximiza el rendimiento del molino. Evita la evaporación de agua que puede generar sobrepresión al interior del molino.

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Cajón de distribución Granulometría Densidad Control de nivel temperatura Velocidad de agitación Posición del agitador Estado de las paletas Incrustación sedimentación Medición de amperaje

Obtener muestras para la distribución granulométrica y controlar el funcionamiento y del molino. Cp y % sólidos. Evitar cavitaciones, derrames, etc. Disipar temperatura, evitar cristalización de cal y Disminuir pérdidas y mantener sólidos en suspensión. Evitar mantenciones, aumenta disponibilidad y vida útil de equipos Detectar anomalías

Asegura tamaño óptimo de partículas. Maximiza el rendimiento del molino Asegurar concentración de lechada y disminuir sobre esfuerzo de los equipos Disminuir perdidas, evitar daños de equipos. Evita la formación de residuos sólidos que afecten a los equipos y el proceso y problemas operacionales en la planta de preparación de lechada de cal.

Hidrociclón Definir tamaño óptimo de partícula Controlar la granulometría, las mediciones de flujo y de presión

Asegurar tamaño óptimo de partícula que permanezca en suspensión Obtener la distribución granulométrica y regular abertura del ciclón. Optimizar eficiencia y prolongar vida útil Detectar anomalías

Evita sedimentación, embancamientos. Asegura alta superficie de contacto Controla las partículas bajo tamaño a estanque de envejecimiento y recircula las gruesas a molienda Evita problemas operacionales en la planta de preparación de lechada

Estanques de envejecimiento y de alimentación de lechada de cal Estado de incrustaciones Medición de niveles Estado de deflectores Flujos de alimentación y descarga

Evitar pérdidas, mantenciones, disminución de la capacidad útil de los equipos Evitar derrames y cavitación de bomba Evitar formación de vórtice Para tener stock de lechada

Evita problemas operacionales en la planta de lechada. Disminuye pérdidas y se evita daño a los equipos Aumenta la homogeneidad de la lechada Alimentación continua a la molienda SAG

Agitadores Velocidad de agitación Posición del agitador Estado de paletas Incrustación Sedimentación Medición de amperaje.

Disminuir sedimentación, Evita la formación de perdidas y mantener sólidos residuos sólidos que afecten en suspensión. a los equipos y procesos Evitar pérdidas, mantenciones, disminución de capacidad útil de los equipos. Prolongar vida útil del agitador y detectar anomalías

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Control de calidad Densidad de pulpa CaO equivalente Flujos de salida y retorno

Asegurar recepción de lechada (10 a 15%) Optimizar cálculo corregido de consumo Conocer consumo real de lechada

Evita reclamos por calidad de la cal. Disminuir sobre esfuerzo de equipos.

Observaciones generales Prolongar vida útil de los Evita problemas al proceso equipos. operacionales en la planta Mediciones de flujos y Detectar anomalías de lechada. presión. Evitar mantenciones no Verificar estado de válvulas, programadas tuberías, instrumentación Aumentar disponibilidad Revisar tableros y lazos de control Bombas Tabla 10: justificaciones en cada actividad de una planta de preparación de lechada de cal

15.15 Optimización en la preparación de lechada: Para optimizar la preparación de lechada de cal, se deben realizar estudios referidos al tratamiento que es sometida la cal viva, para la preparación de lechada que utilizan los consumidores de cal. Este estudio implica analizar, observar y discutir todas las operaciones referentes tanto a la manipulación de la cal viva antes de ser adicionada a la planta de preparación de lechada, como a la producción misma de lechada y su posterior dosificación en los procesos. Esto entrega un diagnóstico que permite encontrar probablemente más de una perturbación del sistema y de la operación, que de alguna manera generan pérdidas de cal. Posterior al diagnóstico, se busca una solución factible técnica y económica. Por este motivo, en vías de disminuir las pérdidas que disminuyan el consumo de cal, es que se plantea como objetivo maximizar el rendimiento de la dosificación de la cal viva, para preparar una lechada de máxima calidad. La máxima calidad, depende de una serie de factores que determinan su comportamiento físico químico y que dan inicio a una búsqueda minuciosa del mejoramiento de todos estos factores involucrados directa e indirectamente, desde el punto de vista del usuario y de la forma de medir la calidad química y física del producto lechada. La calidad química consiste en producir una cal viva con características adecuadas, que permitan obtener el efecto deseado, en los distintos procesos en que es aplicada, según el objetivo específico que se quiere conseguir. La calidad física consiste en preparar una lechada de una consistencia adecuada, controlando ciertas variables mediante la manipulación de otras, dentro de la planta de preparación de lechada de cada usuario de cal.

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Calidad química:

La calidad química, el usuario la mide de acuerdo al rendimiento que se obtiene en su proceso, en cuanto a lograr el pH adecuado, u otro propósito con el cual se esté adicionando la lechada, que permita en conjunto con todos los reactivos y parámetros metalúrgicos, alcanzar una alta recuperación de acuerdo a lo que indica el diseño. Ahora bien, tomando el caso general en la que se utiliza la lechada que es el de regular el pH o alcalinizar un proceso y establecer el equilibrio químico, el responsable directo de que esto ocurra es el grupo (OH)- que genera la cal viva al hidrolizarse. De esta manera tanto el CaO libre, como el CaO combinado y otras impurezas asociadas a la cal aportan este grupo y vienen a ratificar la importancia del CaO equivalente como un concepto válido y fundamentado. Para terminar esta cadena de sucesos relacionados que llevan a maximizar la calidad química de la lechada, un alto rendimiento de las operaciones mina y planta del productor de cal, permiten que el % del CaO equivalente de la cal alcance los valores más altos posibles. b)

Calidad física:

La calidad física, el usuario la mide de acuerdo a dos parámetros, primero quiere obtener una suficiente cantidad de lechada de alta calidad en el menor tiempo posible, que a su vez le permite tener un ahorro de energía y personal, y segundo que la lechada sea altamente manipulable de manera de obtener un fácil transporte y una muy lenta sedimentación, para así evitar un sobre esfuerzo de los equipos e instalaciones con un posterior daño. Consiguiendo este objetivo se prolonga la vida útil de los equipos e instalaciones y se disminuyen las mantenciones no programadas. Para facilitar el transporte de la lechada con una cal altamente manipulable es muy importante conocer el contenido de arenilla, cal requemada o combinada y cal cruda que tenga el producto, ya que la mayor densidad de estos productos afectan el manejo de la misma. Para que la lechada sea fácilmente manipulable es muy importante encontrar y controlar el rango de valores del tamaño de partícula y de concentración (% de sólidos) que permitan una adecuada operación de la lechada desde el punto de vista químico y mecánico. Por otro lado lograr preparar la lechada en el menor tiempo posible depende de dos factores. Primero se quiere lograr la optimización de las variables operacionales que permitan maximizar la calidad de la lechada como la temperatura, el tamaño de partícula, % de sólidos y la calidad y cantidad de agua. Esta última variable es un recurso escaso, que depende también de la disponibilidad del usuario para optimizarla. Segundo, el diseño y estado de los equipos, puede ser que no estén adecuados para cumplir con esa función, y su estado de deterioro sea alto, factores fundamentales en la preparación de la lechada, debido a que se transforman en un

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problema adicional, mas que una ayuda. Un sistema de control, en todos ellos, serĂa ideal para mantener las variables operacionales optimizadas. Pese a todo lo dicho anteriormente, se debe tener muy presente que hay que evitar incrementar los costos del usuario de cal, como una nueva inversiĂłn, que no sea recuperada en un corto periodo, comparados con una disminuciĂłn del costo por consumo de cal.

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Diagrama de calidad de la lechada: Calidad lechada

Calidad Física

Calidad Química

Tiempo Apagado

Manipulación

Rendimiento Flotación Variables Operacionales

Equipos diseño y estado

Sistema dosificación

Sistema descarga cal

Velocidad agitadores

Sistema transporte hidráulico

Tamaño Partícula

Molienda Clasificación

% sólidos

Sistema Transf. calor

Sistema control automático

CaO equivalente

Operaciones

Calidadcantidad agua

Temperatura lechada

Tamaño Partícula

% sólidos

Figura 26: diagrama de calidad de la lechada de cal.

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Diagrama general de control de planta de lechada: Rendimiento Dosificación

Función Objetivo = Maximizar Rendimiento dosificación)

Calidad Lechada

Control de calidad Solubilidad Lechada

Calidad Agua

Tiempo Hidrolización

Temperatura Lechada

Cinética Cal viva

Temperatura Agua

Velocidad Agitación

CaO equivalente dela Cal viva

Tamaño partícula Cal viva

Descarga Molino

Medir pH Consistencia Lechada

% sólidos Lechada

Flujo Agua

Variables de Control medir: Flujo Cal viva

-Temperatura -Granulometría -Densidad

Tiempo Residencia Molino

Sistema transf. calor

Abertura Ciclón

Válvula Control

Sistema Dosificación

Variables Manipulables

Figura 27: diagrama general para control de la planta de lechada de cal.

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Diagrama general para control de planta de lechada:

El diagrama presenta todas las variables que se necesitan optimizar y controlar, para la preparación de la lechada en una planta de preparación de ésta. Si se plantea como objetivo de todo este sistema, para la optimización, maximizar el rendimiento de dosificación de cal viva preparando una lechada de alta calidad, que permita disminuir las pérdidas de cal viva, que aporten para la disminución del consumo de ésta, es necesario maximizar la calidad de la lechada, midiéndola de acuerdo a un control de calidad de ésta. Se tiene entonces, una serie de variables que inciden directamente en la calidad de la lechada, como lo es: la consistencia, la velocidad de agitación, el tiempo de hidrolización, la cantidad de gritt o arenilla que contienen son las que inciden en su calidad física y del mismo modo, la solubilidad y el CaO equivalente inciden en la calidad química. Algunas de estas variables, excepto el CaO equivalente de la cal, depende de la calidad de la materia prima para producir la cal, de la temperatura de la lechada, el % de sólidos, y todas dependen, del tamaño de partícula, que se muestra como la variable más relevante. Cabe notar que se muestran flechas con doble sentido que indican que hay una interacción entre estas variables, por lo que no pueden ser evaluadas de manera independiente. Es por eso que se tienen 3 variables importantes que serán las de control, se medirá temperatura, para controlarla en la lechada, se medirá densidad para controlar el % de sólidos y se medirá la granulometría para controlar el tamaño de partícula. Una vez identificadas las variables que se necesitan controlar, hay que realizar un análisis para saber de que dependen estas variables, de manera de poder encontrar otras variables que mediante su manipulación, permitirán controlar las variables de control y mantenerlas dentro del rango óptimo. Aparece en el esquema la variable calidad del agua que influye directamente en todo el sistema. Esta variable no es una variable de control, ni tampoco es una variable manipulable, debido a que depende única y exclusivamente del tratamiento físico y químico que éste presente. Esta variable es fundamental en la operación de la preparación de la lechada e incide además en los equipos que participan en la operación. d)

Análisis de variables que inciden en la operación: d1) Rendimiento dosificación: Se debe optimizar la dosificación de cal en la preparación de lechada para disminuir el consumo de cal en función de maximizar la extracción metalúrgica en los procesos que es utilizada. Esto implica que la función objetivo de este servicio es: Función objetivo = Maximizar rendimiento dosificación de cal Restricción = pH para maximizar extracción metalúrgica. d2) Calidad lechada:

118

Es importante tener una óptima calidad de la lechada tanto desde el punto de vista físico como químico, lo que resulta en una alta valoración del producto. La optimización de todas las variables que están directamente relacionadas en la preparación de la lechada, influyen en el aumento de la calidad física de ésta, de manera que presente una adecuada consistencia, disminuya tanto los tiempos de preparación como los consumos de energía y los costos operacionales, prolongando la vida útil de los equipos. La calidad química de la lechada depende del aporte que esta tenga en el rendimiento del proceso de flotación, de manera de obtener un reconocimiento del CaO equivalente de la lechada. Este concepto adquiere valor al optimizar las operaciones de mina y planta en la fabricación de cal viva. Por lo tanto, para evitar pérdidas y sobre consumo, se deben optimizar todas las variables que inciden directamente en la obtención de cal viva y en la preparación de la lechada. e)

Variables que inciden y se pueden optimizar en la preparación de lechada: e1)

CaO equivalente de la cal: Este concepto está ligado con la calidad química de la lechada, en cuanto a que es el factor determinante, por ejemplo, en la alcalinización de una pulpa en la flotación rougher y de limpieza para minerales sulfurados de cobre. El CaO equivalente de la cal es una variable que no se puede optimizar o manipular en la planta de preparación de lechada, ya que depende directamente de la mineralogía de la caliza. Las mismas muestras de caliza que fueron enviadas a laboratorio, páginas 49, para someterlas a calcinación a distintas temperaturas y las cuales entregaron una temperatura ideal para el máximo de CaO libre y luego esta variable disminuyó a mayor temperatura, página 50, lo que puede señalar que podría existir la generación de cal combinada o requemada que también aporta alcalinidad. Se realizaron medidas de reactividad y de CaO equivalente en muestras con distintos contenidos de CaO libre, aunque las pruebas no son determinantes por la pequeña cantidad de éstas, entregan algunas “inquietudes para buscar mejoras” debido a los siguientes resultados:

119

RE 600 alimentación horno CO2 residual (%) CaO activo, libre, útil, disponible (%) Reactividad t60 (minutos)

1 0,1 91,9 3,9

Concentración después de la adición [mg/L]

pH después de 2 minutos

12,5 37,5 50

10,5 11,1 11,3

CHL1 Temperatura de Cocción (°C), CHL1 CO2 residual (%) CaO activo, libre, útil, disponible (%) Reactividad t60 (minutos)

900 0,6 72,4 5,4

CHL1 Temperatura de Cocción (°C), CHL1 CO2 residual (%) CaO activo, libre, útil, disponible (%) Reactividad t60 (minutos)

1060 0,3 80,6 4,1

Concentración después de la adición [mg/L]

pH después de 2 minutos

Concentración después de la adición [mg/L]

pH después de 2 minutos

12,5 37,5 50

10,1 10,7 11,1

12,5 37,5 50

10,1 11,1 11,2

CHL2 Temperatura de Cocción (°C) CHL2 CO2 residual (%) CaO activo, libre, útil, disponible (%) Reactividad t60 (minutos)

900 0,2 74,8 3,9

CHL2 Temperatura de Cocción (°C), CHL2 CO2 residual (%) CaO activo, libre, útil, disponible (%) Reactividad t60 (minutos)

1060 0,1 81,5 4

Concentración después de la adición [mg/L]

pH después de 2 minutos

Concentración después de la adición [mg/L]

pH después de 2 minutos

12,5 37,5 50

10,1 10,7 11,2

12,5 37,5 50

10,2 10,9 11,2

CONCLUSIONES: La medición del pH después de dos minutos a distintas concentraciones indica una influencia muy pequeña de la temperatura de calcinación, por lo tanto en el CaO útil, activo, disponible. La diferencia es sólo de 0,4 puntos en el pH cercano a 10, y no se observa diferencia a pH cercano a 11

Tabla 11: resultados de pruebas de alcalinidad

Estos resultados indican que para los procesos en que se utiliza la cal, a pH sobre 11, el consumo unitario de cal no va asociado al contenido de CaO libre de la cal, lo que probablemente pueda relacionarse al CaO equivalente de ésta, sin considerar en esta comparación la cal con 91,9% de CaO libre, cuyos valores de pH no son muy distantes con las de menor “calidad” y aunque no hay una población contundente de datos, se aprecia que: I)

La cal obtenida con la caliza fina (6 – 15 mm) con 72,4 % CaO libre, menor reactividad 5,4 minutos para 60°C y la cal obtenida con la caliza gruesa (15 – 50 mm) con 74,8% de CaO libre, mayor reactividad 3,9 minutos para 60°C, calcinadas a 900 °C entregan el mismo valor de pH a las concentraciones que fueron medidas 120

II)

La cal fina con 80,6% CaO libre igual reactividad que la cal gruesa con 81,5% de CaO libre, ambas calcinadas a una temperatura de 1060 °C, entrega un pH menor a la concentración de 12,5 mg/L, un pH mayor a la concentración de 37,5 mg/L y un pH igual a la concentración de 50 mg/L.

III)

En cuanto al alcance en la cinética de reacción, los valores de pH fueron tomados dos minutos después de agregada la cal para las distintas concentraciones, por lo que en alguna de ellas la de menor CaO libre, por el mayor contenido de compuestos escorificantes o fundentes (silicio, hierro, aluminio, etc), no afectó esta medición. También, podría pensarse que a mayor tiempo mayor valor de pH, pensamiento que se puede avalar con los distintos tiempos de reacción que mostraron en la reactividad de cada una de ellas.

IV)

En general, hay una observación mucho más importante y que tiene relación con el consumo de combustible para producir cal, si se comparan las 4 cales, se puede apreciar que la respuesta del pH presenta una muy pequeña diferencia para la cal que tiene72,4% de CaO libre comparada con la que tiene 81,5% de CaO libre, lo que podría indicar que al agregar la misma cantidad de cal con 72% se debe esperar los mismos resultados de pH que si se agrega igual cantidad de cal con 81,5% de CaO libre.

Otra conclusión interesante, que se puede observar, es que el contenido de CO2 tiene una relación que afecta a la reactividad de la cal, con valores que fluctúan entre 0,1 a 0,3% la reactividad es prácticamente la misma, 4 minutos, al aumentar al doble este compuesto 0,6% mayor tiempo para completar la reacción, la reactividad disminuye a 5,4 minutos, para obtener una temperatura de 60°C.

Los que realizaron las pruebas indicaron las siguientes observaciones: VI)

Para los distintos contenidos de CaO libre en las pruebas de pH, para valores de 10 las diferencias son de 0,4 unidades y para valores de pH 11 no hay diferencias según el contenido de CaO libre.

VII)

Por las condiciones operacionales de los hornos horizontales es poco factible trabajar a menor temperatura de 1.200°C.

Ambas observaciones requiere investigar más, ya que en mi parecer habría que probar lo que se puede obtener en economía de costos producir cal a menor temperatura, ya que según esto, los pH serían los mismos a iguales concentraciones de cal. Por lo tanto, en los procesos de concentración por flotación de menas sulfuradas de cobre, donde se utiliza la cal en forma de lechada, entre otros, como agente alcalinizante (principalmente), depresor de los sulfuros de hierro (pirita) y aglomerante de arcillas o lamas, donde se

121

trabaja en un rango de pH entre 9 – 11 en la flotación primaria, para alcanzar la máxima recuperación metalúrgica y entre 11 y 12 en la flotación de limpieza, para obtener un concentrado con el menor contenido de impurezas, el CaO equivalente de la cal no viene dada sólo por el CaO libre, sino que por la capacidad total del CaO equivalente de la cal, y el tiempo de reacción, está asociado al contenido de CO2 en la cal. La cal, tiene distintos componentes que permiten alcalinizar pulpas minerales. Entre otros están los compuestos en base a calcio, tales como silicatos, y aluminatos, y los contenidos de alcalinos y alcalinos térreos, tales como: sodio, potasio, magnesio, etc. Todos, compuestos que al formar la lechada, aportan basicidad (grupos OH-) para que actúe como agente regulador de pH básico. Por lo tanto en el proceso de alcalinización de una pulpa de flotación, es importante la cal combinada (óxidos de calcio en la forma de silicatos provenientes de la materia prima), y todos los compuestos que otorgan basicidad, ya que el CaO equivalente de la cal, es el balance másico de la capacidad de neutralizar los ácidos o generar basicidad de una sustancia o un proceso, en función de todas las especies contenidas en ella que pueden aportar grupos OH-. Se tiene entonces que el CaO equivalente de la cal, influye directamente en la cantidad alcalinizante total de la lechada. Es por ello que entre mayor sea este valor, mayor será la generación de basicidad y menor el consumo de cal en la preparación de lechada, para obtener los mismos resultados en los procesos en que es utilizada, como lo muestra la gráfica siguiente: Comportamiento de consumos vs pH CaO libre

11,5 11

91,9

10,5

81,5

80,6

9,5

74,8

9 12,5

37,5

72,4

Dosis de cal [ppm]

Gráfico 11: Dosis de cal v/s pH

No debemos olvidar que el mayor contenido de cal combinada o requemada que ayudan en la generación del CaO equivalente deja residuos como arenilla o gritt que afectarán el comportamiento físico de la lechada de cal.

122

El hecho de que la cal contenga arenilla y esta sea incluida en la lechada de cal, debe ser visto bajo el prisma de que la mayor gravedad específica de la arenilla, aumenta la densidad de la mezcla cal con agua, por ende cambia la viscosidad y necesita un mayor esfuerzo de fluencia para lograr el movimiento en el transporte hidráulico de solidos si se necesita trasladar la lechada desde el lugar de producción al punto de adición en los diversos procesos. Lo importante del gráfico 11 es que en la medida que aumenta la concentración de cal y la disolución no se satura o sobresatura, el reactivo logra su total disolución, por ende se ioniza totalmente y logra prácticamente valores de pH que se pueden entender como iguales ya que en la aplicación de cal en la minería, tales diferencias forman parte del error experimental y del límite de detección de los análisis, me refiero al final de las curvas en este gráfico. e2)

Solubilidad lechada: En la preparación de la lechada, la cal es muy poco soluble en agua, por ello es que la disolución se convierte rápidamente en una disolución saturada con un determinado % de sólidos en suspensión, típicamente está en un rango de 10 - 15 %, dependiendo de las necesidades del proceso de cada usuario, esta es la causa por el cual probablemente deriva su nombre: lechada de cal. Al contrario de la mayoría de los reactivos químicos, la cal se hace más soluble a menor temperatura, esto indica que la relación entre estas dos variables es inversamente proporcional. Solubilidad 1/ Temperatura Por otro lado, el tamaño de partícula de la cal viva y sobretodo la arenilla de la cal, influye dentro de la solubilidad en la lechada, dado que tamaños de partículas grandes tienden a ser menos solubles, comparada con las más pequeñas y decantan con mayor facilidad, por tener un mayor peso específico, formando residuos sólidos en el fondo de los estanques, cañerías y sistemas de transporte, provocando problemas de embancamiento u obstrucciones a los equipos y al normal funcionamiento de la planta de lechada, si es que no se cuenta con equipos que las mantengan en suspensión y las trituren o refinen. Solubilidad 1/ Tamaño de partícula Lo anterior indica que existe una temperatura y un tamaño de partícula óptimo en la preparación de lechada que maximiza la solubilidad de la cal en agua. Por lo tanto se debe controlar la temperatura de la lechada y el tamaño de partícula de la cal, para evitar el aumento del % de sólidos causados por la insolubilidad de la cal en agua a la temperatura en que es preparada. En el logro del tamaño de partícula adecuado, para su disolución, se utilizan molinos de reducción de tamaño donde la carga circulante del 123

material, para que la arenilla alcance el tamaño requerido por la operación, es más alta que la cal que no contiene arenilla y por ende el consumo energético para la reducción de tamaño aumenta según la concentración de ésta en la cal. e3)

Temperatura lechada: Para controlar la temperatura de la lechada se debe manipular la temperatura del agua mediante la utilización de un sistema de transferencia de calor para evitar el congelamiento de ésta o evitar la evaporación del agua en el molino y así obtener un rango adecuado que maximice su solubilidad. Por otro lado estudiando o conociendo la cinética de la cal viva, se tiene la consideración que la hidratación de la cal con el agua es una reacción altamente exotérmica, esto implica que existe un aumento de la temperatura en la preparación de lechada de 40 °C (medición de la reactividad), por lo tanto se debe conocer el tiempo de residencia óptimo dentro del molino que permita una buena preparación y que a la vez mantenga la temperatura en el rango adecuado. Es sumamente importante que en el interior del molino no se generen puntos calientes que recristalizarán la cal y el tamaño de partícula será mayor que el deseado.

e4)

Tamaño de partícula cal viva: Para controlar el tamaño de partícula óptimo que maximiza la solubilidad de la cal en el agua, se debe controlar la descarga del molino mediante un análisis granulométrico, de manera de conocer el rendimiento del equipo en función del porcentaje que está por debajo o por sobre el tamaño adecuado, para manipular la abertura de descarga del ciclón. De esta forma las partículas con sobre tamaño serán recirculadas a molienda, mientras que las que tengan un tamaño óptimo y bajo este, se enviarán al estanque de envejecimiento. Cabe señalar que la arenilla requiere de un tamaño de partícula menor que la cal debido a su mayor gravedad específica.

e5)

Velocidad de agitación: La velocidad de agitación permite que la partícula sólida se mantenga en suspensión dentro de la lechada, evitando su sedimentación y depositación, también incide en que se mantenga en contacto permanente con el agua para producir una lechada de buena calidad (mejor contacto y homogeneidad). Es por ello, que si se tiene una velocidad adecuada de agitación, va directamente ligado al tamaño óptimo de partícula. Se tiene que para tamaños pequeños de partícula, una agitación lenta implica que los sólidos se dispersen en forma homogénea, por el contrario si se tiene partículas grandes una agitación rápida permite mantener de alguna manera estos sólidos en suspensión y así se está 124

evitando la sedimentación, del mismo modo la formación de residuos sólidos que provocan problemas en los equipos, en la operación y/o en la preparación de lechada (embancamiento). Por consiguiente, se debe controlar el tamaño de partícula en vías de regular la velocidad de agitación, controlando la descarga del molino que permita manipular la abertura del ciclón. La agitación óptima encontrada se debe aplicar de acuerdo al tamaño de partícula que se mantenga en suspensión y que por lo tanto tenga una menor velocidad de sedimentación. Tal agitación se aplica en el cajón de distribución y en los estanques de envejecimiento y alimentación de manera continua. Velocidad de agitación  Tamaño de partícula La agitación de un estanque produce una turbulencia, para evitar que las partículas sólidas en suspensión debido a su propio peso sedimenten al fondo. e6)

Tiempo de hidrolización: Está referido al tiempo total que demora la preparación de la lechada hasta que es bombeada al molino SAG o al punto de alimentación. Tener un adecuado control del tamaño óptimo de partícula permite disminuir el tiempo de hidrolización, debido a que se disminuye el tiempo de residencia en el molino, disminuye el flujo de carga circulante del ciclón al molino, disminuye la sedimentación de partículas que puedan provocar embancamiento u obstrucciones, mejora el rendimiento del sistema de transporte, de agitadores y finalmente disminuye el tiempo de envejecimiento lo que conlleva a tener una disponibilidad de lechada de una alta calidad en un tiempo menor. Por lo tanto se tiene que: Tiempo de apagamiento  Tamaño de partícula No se debe dejar de considerar que la cal viva dependiendo del grado de calcinación, quemada blanda o suave o quemada dura y requemada o combinada, requieren de un máximo de 20 minutos para desarrollar completamente su reacción con el agua. Si es quemada suave o blanda requiere entre 1 a 3 minutos para desarrollar su reacción la que se completa a los 10 minutos y si es quemada dura, requemada o combinada, requiere entre 6 a 10 minutos para desarrollar la reacción de hidratación y ésta se completa a los 20 minutos, por lo que si el proceso en preparación contempla más de 20 minutos, para la utilización de la lechada de cal, esta variable deja de tener importancia como variable de control del sistema, pero no se debe dejar de lado que si la arenilla está basada en la combinación entre el CaO y la sílice de la materia prima, se requerirá mayor tiempo de reacción para lograr su hidrolización.

125

e7)

Consistencia lechada: Para obtener una lechada de consistencia óptima, se deben controlar dos parámetros importantes, que son el tamaño de partícula de la cal en la lechada y el % de sólidos (densidad) de esta. Se debe tener cuidado que el % de sólidos puede estar influenciado por la cantidad de material que no corresponde a cal y que puede o no estar combinado con parte del CaO de la cal. I)

Tamaño de partícula cal viva: Controlar esta variable implica tener un tamaño óptimo de partícula en la lechada en vías que se mantenga en suspensión de forma dispersa, o en flujo turbulento, de manera de evitar sedimentaciones y la formación consiguiente de residuos sólidos que provocan embancamiento u obstrucciones, que afectan el rendimiento de la operación y de los equipos en general, disminuyendo su capacidad y afectando el volumen útil.

II)

Concentración de sólidos en la lechada: Se requiere generalmente que la concentración sea en peso, donde el porcentaje de sólidos tenga un rango entre 10 a 15 %, dependiendo del proceso. Esta variable no influye en la disminución del consumo de cal en la lechada, dado que no importa la concentración de sólidos que se prepare la lechada, debido a que siempre el mineral consumirá la misma masa de cal lo que otorga una dosis constante, lo que variará será el consumo de agua. Si, es importante encontrar el máximo valor de este rango con el fin de que la lechada tenga una óptima consistencia. De esta manera se evita un sobreesfuerzo del sistema de agitación de los estanques en la preparación y envejecimiento, y en el sistema de transporte hidráulico, debido a que existe como condición un % de sólido máximo bajo el cual el desempeño de los equipos involucrados es óptimo. Como el agua es un recurso escaso, es necesario optimizar su uso al máximo. Por este motivo es necesario encontrar el % de sólidos en función del agua que se dispone y teniendo en cuenta la restricción mecánica de los equipos. Para la preparación del % de sólidos adecuado de la lechada se debe tener un lazo de control entre el flujo de agua y el sistema de alimentación de la cal al molino, de manera de manipular uno en función del otro, para mantener constante la razón cal:agua de acuerdo al % de sólidos que requiere el proceso. Este control disminuye también las pérdidas de ambos elementos por concepto de reaccionar de manera adecuada frente a posibles perturbaciones del sistema.

126

Es necesario tener un lazo de control del flujo de alimentación de lechada con el flujo de mineral para regular uno en función del otro y así evitar pérdidas. Se debe tener en cuenta que para definir el % de sólidos es muy importante conocer el material contenido en el producto y que no corresponde a CaO, ya que la diferencia de gravedad específica puede afectar fuertemente tanto la agitación como el transporte hidráulico de sólidos sometiendo ambos a un sobreesfuerzo. f)

Calidad del agua: La calidad del agua para la preparación de la lechada es una variable importante que incide drásticamente en el rendimiento de la operación, en la corrosión de los equipos, en la formación de precipitados en el sistema de transporte hidráulico y en los estanques, en la formación de residuos sólidos que perturben el normal funcionamiento de la planta, y en la calidad de la lechada, debido a que existe la posibilidad de que alguna impureza disuelta en el agua, a cierta temperatura y al entrar en contacto con la cal viva, produzca una reacción química indeseable con la posterior producción de productos secundarios, que disminuyan el CaO equivalente o la cantidad alcalinizante total de la lechada y que consuman cal, por neutralización de ciertos ácidos formados en las reacciones, o por la propia acidez del agua, o simplemente que la cal forma parte de un compuesto químico que aumenta el consumo debido a que se pierde una cantidad de esta. Por lo anterior, es preferible trabajar con agua blanda, que ha sido sometida a un tratamiento químico, en vez de agua dura, generalmente en la minería se trabaja con agua de proceso que contempla una alta carga iónica, sobretodo de sulfatos que ingresan al sistema, por ello, la importancia de la calidad del agua pasa a ser una variable que depende de la disponibilidad que el usuario asuma en este contexto. Una mejora en este sentido es pasar el agua de proceso que tiene alta carga ionica por un sistema previo de contacto con lechada de cal que permita precipitar los hidróxidos de los metales contenidas en el agua y poder sacarlos del sistema, sin dudas que esto mejorará la calidad de la lechada que ingresará al proceso y permitirá un equilibrio químico más estable, evitando sobreesfuerzo de equipos importantes.

Interacción entre temperatura, tamaño de partículas y % de sólidos: Existe una interacción entre las variables temperatura, tamaño de partícula y % de sólidos. Experimentalmente se ha comprobado que en una lechada al 10 %, a medida que se aumenta la temperatura, la distribución de tamaño de partícula en el residuo sólido favorece a los tamaños de partícula más grande. Esto se debe a que la cal es menos soluble en agua a mayores temperaturas. Ahora al realizar la prueba con un % de sólidos mayor, al aumentar la temperatura se sigue la misma tendencia que en el primer caso. Sin embargo, se llega a un punto que al realizar la prueba con altos porcentajes de sólido (30 – 40%), al aumentar la temperatura la distribución de tamaños en los 127

residuos sólidos favorece el tamaño de partículas más pequeño. En este caso se necesita un control estricto sobre la temperatura, ya que existe la posibilidad de sobrepasar el máximo % de sólidos de la lechada, los que afectarán directamente a los equipos y al rendimiento de la planta, y podrían de alguna manera reducir la vida útil de estos, teniéndose que incurrir en un gasto de mantención, reparación o restitución no contemplado, o bien, se puede sobrecargar la presión del vapor de agua al interior del molino lo que podría llegar incluso a producir explosiones en las partes sensibles de éste, tapas, boca o tornillo de alimentación de cal, etc. En el caso del uso de la cal en el procesamiento de minerales, a pesar que uno de los objetivos, sin considerar la preparación de una buena lechada de alta calidad física y química, será el de disminuir el consumo de cal por tonelada de mineral tratado, se debe tener en cuenta que no siempre la cal como lechada es usada para alcalinizar pulpa, sino también como depresante de la pirita y/o coagulante de arcillas o lamas, dependiendo de los problemas que se susciten en la operación, las que estarán influenciadas directamente por la infinita variabilidad que posee el propio mineral a ser procesado. De esta manera, se debe tener presente que a pesar que por un lado se disminuye el consumo de cal con una finalidad, por otro puede aumentar dependiendo del propósito con la cual sea utilizada. 15.16 Consideraciones en planta de preparación de lechada: a)

Realizar inspección a planta de preparación de lechada: ¿Qué se quiere saber? a1) a2) a3) a4)

Grado de deterioro de los equipos. Diseño de equipos y planta. Identificar puntos de pérdida de cal. Instrumentación y lazos de control.

¿Por qué? a5)

Cuantificar las pérdidas de cal.

a6)

Corregir pérdidas por mal funcionamiento de los equipos y planta por diseño y/o deterioro. Disminuir consumos de cal.

a7)

¿Cómo? a8)

Mantenciones preventivas periódicas programadas, para alargar vida útil de los equipos, aumentar el rendimiento de la planta y disminuir los consumos de cal por disminución de las pérdidas. Hay que realizar un diagnóstico del estado de la planta en general, los equipos, accesorios e instrumentación, para realizar los cambios y ajustes correspondientes dependiendo del interés del usuario por mejorar sus instalaciones, con un mínimo costo, en vías de optimizar la operación de la planta de preparación de lechada que incide en la recuperación metalúrgica en el proceso de flotación en el procesamiento de minerales. 128

Incidencia de las variables en preparación de lechada: b1) Tamaño de partícula de la cal viva: Se debe conocer el tamaño óptimo de partícula, esto implica: (I) (II) (III) (IV) (V) (VI)

Maximizar área de contacto sólido líquido. Minimizar velocidad de sedimentación de las partículas. Minimizar esfuerzo de sistema de transporte y preparación (velocidad agitación). Minimizar el consumo de cal viva por pérdidas. Minimizar tiempos de apagado (hidrolización). Minimizar tamaño de partícula en la lechada.

Hay que considerar las siguientes restricciones: (VII) (VIII) (IX) (X) (XI) (XII) (XIII) (XIV) (XV) (XVI)

Tamaño mínimo que entrega el molino. Rendimiento del molino. Tamaño mínimo que entrega el proveedor de cal. Tamaño óptimo de partícula en flotación rougher, si el agua involucrada no logra cubrir la concentración de disolución de la cal. Rango de abertura del ciclón. Tamaño máximo que soporta sistema de transporte. Tamaño máximo que soportan agitadores (potencia de motores) Diseño de estanques y agitadores. Diseño de la planta de preparación de lechada. Disposición y disponibilidad del usuario

Teniendo en cuenta lo anterior se puede obtener el mejor tamaño de partícula (no el tamaño óptimo) que permita disminuir el consumo de cal maximizando la extracción metalúrgica. En ciertos casos encontrar el óptimo y aplicarlo, significa un mayor costo para el usuario que no es rentable en vías de aumentar sus utilidades. Es por ello que siempre se debe tener en cuenta de buscar la mejor solución frente al mínimo costo para el usuario. Es conveniente realizar pruebas de sedimentación de lechadas, variando el tamaño de partícula para medir el tiempo de sedimentación. b2) Concentración porcentual de sólidos en la lechada: Se debe conocer el % de sólidos óptimo, esto implica: (I) (II) (III) (IV)

Minimizar consumo de cal por pérdidas (sedimentación). Minimizar esfuerzo de sistema de transporte. Minimizar esfuerzo de agitadores (potencia motor). Minimizar tamaño de partícula en la lechada.

Se tienen las siguientes restricciones (V) (VI) (VII)

Recuperación metalúrgica en flotación rougher. Sistema de transporte y preparación lechada. Sistema de dosificación de cal.

129

(VIII) (IX) (X) (XI) (XII)

Sistema control flujo agua. Sistema de control automático de cal y agua. Diseño de estanques y agitadores. Diseño de la planta de preparación de lechada. Disposición y disponibilidad del cliente.

Obtener el mejor % de sólidos permite disminuir el esfuerzo de los equipos maximizando la extracción metalúrgica. Se deben realizar pruebas de flotación rougher y cleaner variando el % de sólidos y midiendo recuperación metalúrgica. b3) Temperatura lechada: Se debe conocer la temperatura óptima de preparación de lechada, esto implica: (I) (II) (III) (IV) (V)

Minimizar evaporación de agua. Maximizar solubilidad de las partículas de cal. Minimizar consumo de cal por pérdidas. Minimizar fatiga de material del sistema de transporte y almacenamiento. Minimizar problemas operacionales en molienda evitando riesgos que afecten la integridad del operador y el equipo.

Se tienen las siguientes restricciones: Incidencia de la temperatura en la recuperación metalúrgica en flotación. (XVII) Existencia de sistema de control de temperatura en planta de lechada. (XVIII) Equipos de transferencia de calor. (XIX) Disposición y disponibilidad del cliente. (VI)

Se obtiene la mejor temperatura en la preparación y aplicación de la lechada para disminuir el consumo de cal. Realizar pruebas de flotación rougher con lechadas, variando temperatura de ésta y midiendo recuperación metalúrgica. b4) Agua de preparación de lechada: Se debe conocer la calidad físico química del agua para optimizar la calidad de la lechada, esto implica: (I) (II) (III) (IV) (V) (VI)

Minimizar reacciones químicas no deseadas, producto de sus impurezas. Minimizar precipitaciones de metales pesados (residuos sólidos). Minimizar la formación de lodos (yeso precipitado) Minimizar consumos de cal producto de la acidez del agua. Minimizar consumos de cal por pérdidas. Minimizar deterioro de equipos y accesorios.

Se tienen las siguientes restricciones:

130

(VII) (VIII) (IX) (X) (XI) (XII) (XIII) (XIV)

Origen del agua alimentada. Tipo de sistema de tratamiento del agua. Acidez del agua. Sistema de control de flujo de agua. Sistema de control pH del agua. Disponibilidad de agua. Diseño de estanques. Disposición y disponibilidad del usuario

Para disminuir el consumo de cal en la preparación de lechada, hay que obtener el agua de mejor calidad disponible. Al realizar pruebas de preparación de lechada con agua, variando la calidad de esta y midiendo formación de residuos y recuperación, hay que conocer con anterioridad la caracterización físico-química de las aguas usadas para tal efecto. b5) Interacción entre variables: Se debe tener en cuenta que existe una interacción entre las variables porque ninguna es independiente de las otras tres, esto implica: (I)

Que teóricamente se debe optimizar la variable con la cual se obtiene el menor consumo de cal, al estudiarla en forma independiente, y minimizar las otras en función de esta.

Se tienen las siguientes restricciones: (II) (III) (IV) (V)

La interacción entre las variables. El costo de experimentación. El tiempo. La disposición del usuario.

Se obtiene la mejor interrelación del conjunto de variables en vías de minimizar el consumo de cal. Estudiar la factibilidad de realizar un diseño de experimentos. La lechada de cal en los procesos mineros de flotación alcalina nunca dejará de ser utilizada, ya que se requiere agregarla en la etapa de limpieza del concentrado, lugar donde no existe el subproceso de molienda, por lo que no hay posibilidad de eliminar o refinar la grancilla o arenilla que ésta produce lo que provocará problemas en este subproceso. 15.17 Cálculo de variables para la preparación de lechada: Para el cálculo de la densidad de pulpa se utiliza la siguiente relación:





GEs *



% p / p  GEs * (1  % p / p)

Donde:

131

p:

Densidad de pulpa

GEs: Gravedad Específica del sólido, la cal hidratada su valor es 2,3

l: Densidad de líquido %p/p: porcentaje masa-masa En la ecuación anterior se presentan dos variables a considerar para realizar los cálculos, estas son: densidad de pulpa (p) y el porcentaje masa-masa o pesopeso (%p/p). Despejando el %p/p se tiene:      l GEs *   1    p   %p/ p  1  GEs Si se considera la variable densidad de pulpa igual a 1.140 kg/m3, se obtienen los siguientes resultados:

a. Porcentaje peso-peso:  1000  2,3 *   1  1140  %p/ p  1  2,3 b. Masa de pulpa:

Mp =

p *

*100  21,7%

Vp = 1.140 Kg/m3 * 1 m3 = 1.140 Kg

c. Masa de sólido: Ms = Mp * %p/p = 1.140 Kg * 0,217 = 247 Kg d. Masa de líquido: Ml

= Mp * ( 1 - %p/p) = 1140 Kg * (1 - 0,217) = 893 Kg

Si se considera la variable 25%p/p, la densidad de pulpa es igual a: 2,3 * 1.000 Kg / m 3 p 0,25  2,3 * (1  0,25) Por lo tanto, 

 1.165 Kg / m 3

e. Masa de pulpa: Mp = f.

p *

Vp = 1.165 Kg/m3 * 1 m3 = 1.165 Kg

Masa de sólido: Ms = Mp * %p/p = 1.165 Kg * 0,25 = 291 Kg

132

g. Masa de líquido: Ml

= Mp * ( 1 - %p/p) = 1.165 Kg * (1 - 0,25) = 874 Kg

Por lo tanto, de acuerdo a los requerimientos de preparación de lechada de cal con un 25%p/p se debe considerar una densidad de pulpa igual a 1.165 Kg/m3. Todos los cálculos anteriores están definidos en base 100% Ca(OH)2, no considera el material que no corresponde a CaO por ende tampoco corresponde a Ca(OH) 2, que puede o no generar alcalinidad, que tiene gravedad específica diferente y que en algunos casos alcanza hasta el 25% de la cantidad de material.

133

16. APLICACIÓN DE CAL SÓLIDA. 16.1. Directa al molino SAG: Como se mencionó anteriormente, el hecho de que la cal al reaccionar con el agua sufra físicamente un cambio, debido a la modificación del tipo de partícula al pasar químicamente de oxido de calcio, CaO, a hidróxido de calcio, Ca(OH)2, físicamente involucra una expansión de la partícula de CaO y rompimiento de la misma, para transformarse en un polvo sin intervención de tipo alguna, la que dependiendo de la concentración de agua, puede ser desde un polvo fino y seco, pasando por una pasta hasta finalmente llegar a una suspensión de cal en agua denominada lechada de cal. Lo anterior hace pensar en estudiar la forma de evitar la molienda de cal, de hecho hay plantas de lechada de cal que no la utilizan y separan la grancilla o gritt generada, por lo tanto es factible en el procesamiento de minerales sulfurados de cobre, agregar la cal sólida junto al mineral fresco para aprovechar esta particularidad que entrega la cal. Para ello se han realizado pruebas con cal con 100% bajo 19 mm que ha sido mezclada con agua en distintos tiempos de reacción, encontrando que, a los 6 minutos ya se encuentra prácticamente más del 85% de las partículas por debajo de los 0,15 mm. Distribución Granulometrica Cal Viva Normal a Diferentes Tiempos de Agitación, 25% CP 100 90 80

(%) Pasante acumulado

70 60 50 40 30 20 10 0 10

100

1.000

10.000

100.000

Abertura (um ) cal viva

3 m inutos de agitación

5 m inutos de agitación

6 m inutos de agitación

10 m inutos de agitación

1 hora de agitación

Gráfico 12: perfil granulométrico de la lechada de cal a distintos tiempos de agitación

134

A mayor tiempo, 10 minutos, 90% está bajo los 0,15 mm como lo muestra la gráfica anterior. Todo esto, permite a los nuevos proyectos diseñar plantas de lechadas de cal más pequeña, para utilizar sólo en la limpieza del concentrado, e implementar sistemas de alimentación de cal viva granulada junto al mineral fresco en la molienda SAG. Lo anterior trae como consecuencia, ahorros en inversión y operacionales: En inversión menor capex por requerir una planta más pequeña, y todo lo asociado al transporte de hidráulico de la lechada de cal con la economía de escala que corresponde. Operacionales, menor opex, dada la disminución de consumos de agua, energía y horas hombres. La disminución del consumo de agua, se logra por un lado por el hecho de que se alimenta la cal en forma sólida y por otro que con los volúmenes de agua involucrado en el proceso de flotación, la cal alcanza su total solubilidad por lo que la molécula de Ca(OH)2 se encuentra disociada en Ca+2 y 2OH-. En Chile esto lo aplica la Minera Meridian; En Bolivia la minera San Cristóbal, en Australia tengo entendido que Newcret Cadia East y en Argentina Minera Alumbrera y Minas Pirquitas. Actualmente hay proyectos mineros que se están desarrollando con la aplicación de esta incipiente tecnología o forma de alimentar la cal, en Chile Caserones y desde las empresas de ingeniería Amec y Fluor han consultado para los proyectos Quechua y Conga en el desarrollo que están realizando de estos proyectos en Perú. Si a lo anterior, se agrega la particularidad que posee la cal como lubricante, se podría plantear que también es factible conseguir alguna modificación en las propiedades reológicas de la pulpa al interior del molino SAG, dada la energía calórica de hidratación que desarrolla la mezcla cal agua, lo que se podría traducir en un leve aumento de su capacidad de procesamiento (entre 2 a 3%). Esto sería un ahorro o incremento importante de producción. Si actualmente los molinos SAG pueden procesar hasta 110.000 tpd significa la no despreciable suma de aumentar en unas 2.200 a 3.300 toneladas el proceso de mineral en forma diaria. Para preparar la lechada o suspensión de cal, se requiere agua y un molino de bolas para moler el material granulado dando lugar a la reacción exotérmica de hidratación entre ambos materiales. O bien, agua y un estanque agitador que permita la mezcla de la cal viva molida con el agua de hidratación. La velocidad de reacción de la cal en su hidrólisis es entre 1 a 15 minutos, dependiendo de las impurezas asociadas en la materia prima y de la forma de calcinarla al fabricar la cal, y de la cantidad de material grueso que requiere un tiempo un poco mayor.

135

Se propone agregar la cal viva granulada o molida en forma directa a la molienda primaria en conjunto con el mineral fresco que ingresa al molino SAG, para que se mezcle con la pulpa mineral y alcance la hidratación junto a la disolución total de ésta dada la gran cantidad de agua involucrada en el sistema. Beneficios para el usuario: 1. Ahorro de energía en la preparación de la lechada de cal (entre 70 a 80%). 2. Ahorro de agua por concepto de no producir lechada de cal. (entre 70 a 80%) 3. Aprovechar el calor de hidratación en la molienda primaria de minerales 4. Adecuar mejor la dosificación de cal ante distintos requerimientos del mineral. 5. Probable cambio en la viscosidad y por ende en la reología de la pulpa que podría aumentar su capacidad de molienda entre 2 a 3%. 6. Liderar cambio en la forma de aplicar cal en la industria minera chilena. Programa o Plan de acción: 1. Contactar personal y visitar las mineras que lo están realizando. 2. Diseñar un sistema adecuado y controlado de dosificación de cal sólida. 3. Realizar pruebas a nivel de planta piloto e industrial. 4. Cuantificar, controlar y evaluar, los cambios reológicos que ocurren en la pulpa. 5. Valorizar la economía de energía y agua al disminuir el uso de la planta de lechada de cal. 6. Valorizar los probables mayores rendimientos que se pueden obtener en el SAG. 7. Valorizar los retornos por mayor producción de cobre. Requerimientos: Realizar una instalación como lo indica la figura siguiente:

Donde: 1: Tolva o silo de almacenamiento de cal. 2: Filtro de despresurización y despolvamiento. 3: Válvula de seguridad.

136

4: Sistema de fluidización. 5: Compuerta de guillotina. 6: Tornillo transportador con velocidad variable. 7: Guardera tipo liftube. 8: Correa alimentación de mineral y cal al molino SAG. La fotografía siguiente, indica el punto donde es factible realizar la inyección de cal viva, junto al mineral fresco que alimenta al molino SAG.

A modo de asegurar una dosificación de cal molida más precisa, se puede instalar debajo del silo de almacenamiento de cal, un equipo pesométrico dosificador, parecido a lo siguiente:

137

16.2. Directa al estanque agitador: Si aún persisten dudas respecto de que el calor generado en la hidratación de la cal puede ser tan alto que podría afectar los descansos del molino por una alza indiscrimada de esta variable, por lo que es preferible y conveniente agregar la cal como lechada, existe la opción de preparar esta lechada de cal sin la utilización de molienda, por ende evitar la inversión de un molino para tal efecto agregando cal viva molida en forma directa al agitador de las plantas de lechada de cal, para ello en forma controlada se introduce la manguera del camión silo que contiene la cal, por debajo del nivel de agua y se procede a la descarga de ésta al interior en el agua, provocando un burbujeo por la despresurización del sistema lo que puede ser utilizado como parte de la agitación del sistema.

138

17.

CONTROL Y PREVENCION DE LA CONTAMINACIÓN.

La cal es utilizada en un gran rango de productos, como ejemplo, por nombrar algunos, se utiliza como agente fundente en la refinación de acero, como un ligante en la construcción, para precipitar impurezas en el tratamiento de aguas, también es usada extensivamente para la neutralización de componentes ácidos de los efluentes industriales, de los flujos de gases o del drenaje ácido de minas o de rocas, etc. porque tienen innumerables usos más. La producción anual de cal, en el mundo, es de alrededor de 25 millones de toneladas, los países de la unión europea producen cerca del 15% de la producción mundial. El proceso de fabricación de cal consiste en la calcinación de los carbonatos de calcio y/o magnesio para liberar el anhídrido o dióxido de carbono para obtener el óxido correspondiente: CaCO3 → CaO + CO2 El producto, óxido de calcio, obtenido desde el horno, generalmente es triturado, molido y/o harneado antes de ser enviado a los silos de almacenamiento. Desde los silos, la cal es entregada al usuario final en la forma de cal viva o transferida a una planta de hidratación donde se hace reaccionar con agua para producir lechada de cal. El término cal incluye, cal viva, cal apagada y es sinónimo de los productos obtenidos con esta. Cal viva, o cal quemada, es mayoritariamente oxido de calcio (CaO). Lechada de cal consiste principalmente al hidróxido de calcio (Ca(OH)2) e incluye la cal hidratada (polvo de hidróxido de calcio), lechada de cal y masilla de cal, en el fondo son hidróxidos de calcio dispersos en agua. Para la producción de cal, generalmente, se utilizan entre 1,4 a 2,2 toneladas de caliza por tonelada de cal viva vendible o comerciable. El consumo depende de los tipos de productos, la pureza de la caliza, el grado de calcinación y la cantidad de producto desechable o contaminante. La mayor parte del equilibrio es la pérdida de dióxido de carbono durante el proceso de calcinación, el cual es emitido a la atmósfera. La industria de la cal es altamente intensiva en consumo de energía, la energía está por sobre el 50% de los costos totales de producción. Los hornos utilizan combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. El uso de gas natural ha incrementado sustancialmente en los últimos años. Hace 13 años atrás, 1995, el combustible más común utilizado fue el gas natural (48%) y el carbón, incluyendo el carbón bituminoso, el lignito, coque y coque de petróleo, cubrían el 36%, mientras que el aceite era usado en cerca del 15% y otros combustibles el 1%. Hace 13 años las fábricas productoras de cal en la unión europea eran aproximadamente 240, excluyendo la producción cautiva, con un total de cerca de 450 hornos, mucho de los cuales eran hornos con cubas de alimentación de flujo

139

paralelo para cal estándar y cal fina, hornos típicos con producción entre 50 a 500 toneladas por día. La clave de la contaminación ambiental asociada a la producción de cal son la polución aérea y el uso de energía, el proceso de calcinación de la cal es la principal fuente de emisiones y es también el principal uso de energía. Los procesos secundarios de apagado de la cal y molienda pueden ser también significativos. La clave de las emisiones medioambientales son polvo, óxidos nitrosos (NOx), dióxido de azufre (SO2), y monóxido de carbono (CO). Muchas plantas de cal han tomado medidas primarias generales, optimizando el control del proceso. Estas medidas son usualmente tomadas para mejorar la calidad del producto y disminuir los costos de producción, pero ellos también reducen el uso de energía y la emisión aérea. La mejor técnica utilizada para reducir las emisiones de polvos son una combinación de las medidas primarias generales y la eficiente remoción del material particulado desde el punto o la fuente aplicando filtros: de telas, precipitadores electrostáticos y/o lavado húmedo. Las mejores técnicas útiles (BAT por su significado en ingles Best Available Techniques) para el nivel asociado con el uso de estas técnicas es de 50 mg de polvo/m3 de aire. Las BAT también incluyen la minimización y prevención de las emisiones de polvos fugitivas, como las que siguen: 17.1 Abatimiento de polvos fugitivos: Las fuentes de emisiones fugitivas, principalmente surgen desde el almacenamiento y manejo de materiales crudos, calizas, de los combustibles y cales desde el lugar de fabricación o de los vehículos en movimiento. Un esquema simple y lineal del sitio es aconsejable, para minimizar al máximo posible las fuentes de polvos fugitivas. Un mantenimiento propio y completo de las instalaciones siempre tiene un resultado indirecto para reducir el polvo fugitivo desde el goteo aéreo o derrames acumulados. El uso de equipos automáticos y sistemas de control también ayudan a la reducción de estos polvos, tanto o mejor como operaciones continuas y libres (report Cembureau, 1997) Algunas técnicas para abatir los polvos fugitivos son: a)

Proteger del viento el material acumulado: para ello hay que evitar el almacenamiento al aire libre de materiales polvorientos. Ahora, cuando esto no es posible, hay que reducir el polvo fugitivo usando barreras diseñadas apropiadamente para el viento.

Supresores de polvos: cuando la fuente de polvo es la caliza, se deben utilizar supresores químicos de polvo o instalar un sistema de inyección de agua en roció o spray. La humidificación de las partículas de polvo ayuda a la aglomeración y por lo tanto, facilita la sedimentación del polvo.

140

Una gran variedad de reactivos químicos son también útiles para mejorar la eficiencia global del agua en rocío o spray c)

Pavimentar las calles, mojar los caminos y las bodegas: áreas, que serán utilizadas por camiones deben pavimentarse cuando sea posible y mantener la superficie lo más limpio que se pueda. Mojar los caminos reduce las emisiones de polvos, especialmente durante los tiempos secos. Buenas prácticas de mantención podrían ser usando un método cuidadoso de emisiones mínimas de polvo de caliza fugitivo.

Limpieza de vacío estacionario o móvil: éstos sistemas de vacío pueden ser utilizados, el estacionario puede en algunas ocasiones no llegar al lugar donde se produce el derrame, por ello durante las operaciones hay que mantener ambos sistemas y así se evita la formación de polvo fugitivo durante las operaciones de remoción. Se pueden equipar fácilmente edificios nuevos con sistemas estacionarios de limpieza mediante vacío, mientras existan construcciones normales será mejor fijar conexiones flexibles para un sistema móvil.

Ventilación y recolección en filtros de telas: todo el manejo del material puede ser conducido y mantenido en sistemas cerrados bajo presión negativa. El propósito de la succión de aire es despolvar el filtro de tela antes de emitirlo a la atmosfera.

Almacenamiento cerrado con sistemas automáticos de manejo: silos para cal cerrados totalmente y almacenamiento de materias primas automatizadas deben considerar la solución más eficiente al problema de los polvos fugitivos generados por las altas cantidades de stock, estos tipos de almacenamiento son equipados con uno o mas filtros de telas para prevenir la formación de polvo fugitivo en las operaciones de carga y descarga (Cembureau report, 1997)

17.2 Gases nocivos o contaminantes: La cal en caso del carbono, cumple dos roles, por un lado es una fuente productora del mismo y por otro un material absorbente de este gas. a)

La cal como fuente de carbono: En la producción de cal el anhídrido carbónico CO2, tiene dos fuentes de origen. Por un lado la reacción química de descomposición del carbonato de calcio y por otro la combustión del carbono contenido en el combustible, es decir: Reacción química: CaCO3

CaO +

CO2

Combustión de carbono contenido en el combustible, (combustión CO2) C

+ ½ O2

CO2

El flujo simplificado del proceso de producción de cal es el siguiente:

141

ENERGÍA

CAL HORNO DE CALCINACIÓN

AIRE

CO2

CALIZA Figura 28: diagrama producción de carbono en la fabricación de cal

La cantidad de CO2 por el proceso y combustión, por tipo de horno es: CO2 por proceso

CO2 por combustión

TCO2/TCaO

(2)

(3)

Rotatorio Largo

0,785

0,365 – 1,062

1,15 – 1,847

Horno rotatorio con columna de parrilla de precalentamiento

0,785

0,269 – 0,617

1,054 – 1.602

Cuba lecho mixto

0,785

0,224 – 0,708

1,009 – 1.493

Cuba con flujo regenerativo paralelo

0,785

0,202 – 0,425

0,987 – 1,210

Cuba anular

0,785

0,224 – 0,465

1,009 – 1,250

Otros de cuba

0,785

0,224 – 0,506

1,009 – 1,291

(2) El factor <de CO2 por proceso está definido según: UNFCCC IPCCC

(3) El factor de CO2 por combustión es según:Lime BREF, March 2000, page 80 table 2.8

TIPO DE HORNO (1)

(1)El tipo de horno es dependiente de la calidad del producto requerido, de la calidad de la caliza y granulometría alimentada.

TOTAL DE CO2 ACTIVO. FACTOR DE EMISION

Tabla 12: generación de CO2 por tipo de horno en la producción de cal

Es obvio que la cal es producida por varios tipos de hornos, incluyendo los tipos artesanales o romanos en algunas zonas del mundo, y todos ellos disponen de varios tipos de combustibles para quemar. Ya que no hay, o mejor dicho no conozco, una base de datos de los hornos y tipos de combustibles de todo el mundo, asumiré el cálculo de la emisión del CO2 global, según la producción mundial de cal. El factor de emisión de CO2 por proceso en cada tonelada de cal es 0,785 El factor de emisión de CO2 por combustión en cada tonelada de cal es 0,215 Luego el factor de emisión total de CO2 por tonelada de cal será de 1,000

142

Como consecuencia de esto, puedo calcular que la emisión total, global, de CO2 el año 2009 fue de 299.000.000 de toneladas. b)

La cal como absorbente de carbono: Durante el ciclo de vida de la cal, frecuentemente ocurren las siguientes reacciones: CaO +

H2O

Ca(OH)2

Denominada reacción de hidratación. Ca(OH)2

CO2

CaCO3 + H2O

Denominada reacción de recarbonatación. Como la cal, después del apagado con agua captura el CO 2 vía una reacción inversa, conocida como recarbonatación, en otras palabras la cal se comporta como un reactivo absorbente y reductor del CO2 en la atmosfera, entonces el ciclo de vida de la cal es directamente vinculado con el consumo de ella. 17.3 Emisiones: La emisión a la atmosfera incluye óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO2), óxidos de carbono (CO, CO2) y polvos. Las emisiones dependen del diseño de horno, las condiciones de operación, el combustible utilizado y la calidad de la caliza y la cal. Las emisiones de NOx dependen principalmente de la calidad de la cal producida y del diseño de horno utilizado para su obtención. Algunos hornos rotatorios utilizan quemadores con bajo NOx. Otras tecnologías de reducción, no se tiene conocimiento si han sido aplicadas en la industria de la cal. Las emisiones de SO2, principalmente desde hornos rotatorios, dependen del contenido de azufre que tenga el combustible utilizado, del diseño de horno y del contenido de azufre captado por la cal en su producción. La selección de los combustibles con bajo contenido de azufre puede entonces limitar las emisiones de SO2, y por lo tanto pueden producir una cal con mayores contenidos de azufre. Hay técnicas absorbentes adicionales que son útiles, pero no se conoce si éstas se aplican corriente o habitualmente en la industria de la cal. El nivel de las emisiones de dióxido de carbono esta relacionada a la química de la calcinación y al proceso de combustión. Emisiones típicas son citadas en cada caso para NOx; SO2, polvo y CO. a)

Óxidos de nitrógeno: Hornos de cuba generalmente emiten menos NOx que los hornos rotatorios. Esto es por causa de las temperaturas, ya que en los hornos de cuba son usualmente menores a 1200°C, por lo que la formación térmica de NOx (por reacción del Nitrógeno con el Oxígeno) es comparativamente menor. Adicionalmente, el proceso de combustión usualmente produce temperaturas de llama relativamente menores, y condiciones de mezclado de menor intensidad, resultando bajos niveles de NOx en los combustibles. Donde, sin 143

embargo, se usan hornos de cubas para producir cales calcíticas quemada dura o dolomita quemada a muerte, se producen altos niveles de NOx. En los hornos rotatorios, la llama es mejor definida, la temperatura de la llama es más alta que en los hornos de cuba, dando como resultado alto contenido de NOx en los combustibles, lo que es acompañado por el diferente calor transferido en el proceso. La temperatura máxima de gases del horno también es alta, por lo que resulta un incremento térmico de los niveles de NOx. La producción de dolomita quemada a muerte en hornos rotatorios da por resultado niveles de NOx más alto. Emisiones típicas de NOx según tipo de horno se muestran en la tabla siguiente: Tipo de Horno mg NOx/Nm3 kg NOx/t. de cal (2) (1) Cal viva alto calcio, cales dolomíticas quemada suave y quemada dura

Cuba con lecho mixto

< 300

Doble cuba inclinado

< 500

< 1,7

Multi cámara

500 – 800

1,7 - 2,8

Cuba anular

< 500

< 1,7

Cuba con flujo regenerativo paralelo

< 400

< 1,4

Otros de cuba

< 300

Rotatorio quemado blando

100 -700

0,4 – 2,8

Rotatorio quemado duro

400 – 1.800

1,6 – 7

Con parrilla transportadora

< 300

Cuba con lecho mixto

< 300

Rotatorios

2.000 – 5.000

15 - 45

Dolomita quemada a muerte

(1):

las concentraciones de las emisiones son el promedio de un año, y son valores indicativos basados en varias técnicas de medida. O2 contenido normalmente 10%. (2): Basado en los volúmenes de la descarga de gas (húmedo) típico de 3.500 Nm3/tonelada de cal para hornos de cuba y parrilla transportadora. 4.000 Nm3/ tonelada de cal para hornos rotatorios que calcinan calizas alto calcio y dolomita, 1.900 Nm3/ tonelada de cal para hornos de cuba con lecho mixto y calcinación de dolomita a muerte; y 8.500 Nm3/ tonelada de cal para hornos rotatorio y calcinación de dolomita a muerte. Tabla 13: Emisiones típicas de NOx desde algunos tipos de hornos. [Eula]

144

Dióxido de azufre: Las emisiones típicas de SO2, para varios tipos de hornos de cal se muestran en la siguiente tabla: Tipo de Horno mg SO2/Nm3 (1) kg SO2/t. de cal (2) Cal viva alto calcio, cales dolomíticas quemada suave y quemada dura

Cuba con lecho mixto

< 300

Doble cuba inclinado

< 500

< 1,7

Multi cámara

500

< 1,7

Cuba anular

< 300

Cuba con flujo regenerativo paralelo

< 300

Otros de cuba

< 300

Rotatorio quemado blando

800 (3)

Rotatorio quemado duro

800 (3)

Con parrilla transportadora

< 300

Cuba con lecho mixto

< 800

< 1,5

Rotatorios

< 5.000

< 42,5

Dolomita quemada a muerte

(1):

Las concentraciones de las emisiones son el promedio de un año, y son valores indicativos basados en varias técnicas de medida. O2 contenido normalmente 10%. (2): Basado en los volúmenes de la descarga de gas (húmedo) típico de 3.500 Nm3/toneladas de cal de horno de cuba y parrilla transportadora, 4.000 Nm3/toneladas de cal para hornos rotatorios que calcinan calizas de alto calcio y dolomita, 1.900 Nm3/toneladas de cal para hornos de cuba alimentación mezclada para dolomita calcinada a muerte, y 8.500 Nm3/tonelada de cal para hornos rotatorios para dolomita quemada a muerte. (3): Puede ser con combustibles altos en azufre. Tabla 14: Emisiones típicas de SO2 desde algunos tipos de hornos.. [Eula]

En la mayoría de las operaciones de cal quemada más que el azufre presente en la caliza y en el combustible este es capturado por la cal viva. En los hornos de cuba y de lecho fluidizado, el eficiente contacto entre los gases del horno y la cal viva usualmente asegura una eficiente absorción del dióxido de azufre. Esto generalmente también es valido para los hornos rotatorios y otros hornos con cama y precalentadores. Ahora, donde se produce cal viva con bajo azufre es en los hornos rotatorios, tanto para la cal calcítica quemada dura y para la dolomita quemada a muerte en ambos hornos: rotatorio y de cuba, parte del azufre del combustible y de la

145

caliza es expelido como dióxido de azufre en los gases de escape, salida o descarga. c)

Óxidos de carbono: La disociación de la caliza produce sobre 0,75 t. de dióxido de carbono por tonelada de cal viva, va a depender de la composición de la caliza y el grado de calcinación de ésta. La suma de dióxido de carbono producido por la combustión, dependerá de la composición química del combustible y del calor usado por tonelada de cal viva producida, generalmente se encuentra en el rango de 0,2 a 0,45 t. de CO2 por t. de cal viva. En años anteriores la emisión de dióxido de carbono por tonelada de cal viva en muchos países fue reducida, principalmente porque reemplazaron hornos antiguos por hornos con diseño térmico más eficiente, y por incremento de la productividad (disminuyendo los polvos de desechos). En Alemania y Francia la industria de la cal incorporó acuerdos voluntarios para reducir las emisiones de CO2 y en el Reino Unido esto ha sido calculado que la emisión de CO2 por tonelada de cal disminuyó aproximadamente el 20% en 1994. Japón, firmó el Convenio marco sobre el Cambio climático (UNFCCC) en la Cumbre Mundial en Río de Janeiro en 1992 y expresó su determinación de promover esfuerzos para reducir la liberación de gases de calentamiento global. Como sede de la tercera sesión de la Conferencia de los Partidos a las Naciones Unidas el Convenio marco sobre el Cambio climático (COP3) sostenido en 1997, Japón adoptó el Protocolo de Kyoto. Más lejos, Japón ha puesto un objetivo que entre 2008 y 2012, esto alcanzará una reducción del 6 % del nivel 1990 de gases de calentamiento global, por lo que puso en práctica varias políticas para alcanzar este objetivo, las industrias japonesas han hecho proyectos voluntarios, para reducir estos gases, al igual que la política del gobierno y ha puesto en práctica la reducción de emisión. En Japón se han detectado 92 empresas relacionadas con la cal.

146

Figura 29: Industria de Cal, Asociada de cal japonesa, en Japón

La producción de cal en Japón ha sido la indicada en el gráfico 12:

Gráfico 13: producción de cal en Japón

147

En Japón la cal se utiliza principalmente en cuatro sectores, bien definidos el uso en la industria del acero, la industria química y la construcción, siendo este último de volumen similar a los otros usos.

Gráfico 14: Suministro interno de cal en Japón, por industria

La industria de cal en Japón ha establecido un comité contra la acción voluntaria para el entorno y ha puesto un objetivo para el 2010, alcanzar una reducción del 10%, del nivel de 1990, la energía utilizada en la producción de cal. Para realizar este objetivo, 92 empresas relacionadas con la cal que son los miembros de este comité han adoptado varias medidas que apuntan a reducir la emisión de CO2 de 2.97 millones de t. en 1990 a 2.76 millones de t. en el 2010. En particular la industria de la cal tiene una cobertura de un 97%, 93 de las 96 empresas están adscritas como Voluntarias en el Plan de Acción Ambiental (VPAA) de la industria de cal.

Gráfico 15: disminución de emisiones de CO2 por energía en Japón.

148

Gráfico 16: Indice de intensidad en la disminución de emisiones de CO2 en Japón.

Ambos gráficos 15 y 16 muestran claramente la seriedad con que la industria japonesa de cal ha hecho suyo el tema de disminución de CO2 en pro del mejoramiento ambiental. Los niveles de emisiones de CO2 el año 1990 eran de 3.540.000 t, el año 2008 alcanzaron las 2.722.000 t., y el 2009 las 2.391.000 de t. Es decir, aunque el 2009 comparado con el 2008, hubo una disminución del 12,2 %, en comparación con el inicio de la implementación del proyecto de reducción de emisiones de CO2 éstas han disminuido un 32,5%. Los esfuerzos han estado orientado a: I) II) III) IV) V)

Ampliar el uso de combustibles reciclados Mejorar la operación y rendimiento térmico Recuperar las emisiones generadas por la energía Simplificación de los procesos Mejor eficiencia mecánica de los equipos.

Un ejemplo práctico y destacable de disminución de CO2 lo muestra la empresa Ube Material Industries, Ltda. Ube Material Industries, Ltda, es uno de los principales productores de cal, en el 2004 tenía tres plantas productivas: Mine; Chiba y Ube. Ube Materials Industries, Ltd. nació como consecuencia de la fusión entre Compañía Calceed Ltd e Industrias Ube Químicas ind. Co Ltd., en 1997 y su negocio principal es la producción y ventas de productos de magnesio y calcio. La ubicación de las tres principales plantas son: Chiba en Japón de Este y plantas el Míne y Ube en Japón occidental.

149

Figura 30: ubicación de las tres plantas de Ube Material Industrie, Ltd.

Los productos principales, en el 2004, eran: cal viva, cal hidratada calcitica, carbonato de calcio, cal magnesiana quemada a muerte e hidróxido de magnesio, con el siguiente volumen de producción: Fabrica

Mine

Chiba

Ube

Producto Cal viva Cal hidratada Carbonato de calcio Cal viva Cal hidratada Carbonato de calcio Cal viva Magnesiana Requemada (Clinker de Magnesia) Hidróxido de Magnesio

Volumen de producción (t/año) 932.000 46.000 70.000 435.000 35.000 208.000 110.000 125.000

Tabla 15: producción de las tres plantas de Ube Material Industrie, Ltd.

Entre los esfuerzos para reducir la emisión de gas CO2, perfila las actividades hacia 3 rubros: 150

utilización del cambio modal

II)

uso de combustibles reciclados y

III)

reducción del consumo de energía en las fábricas de cal de Míne y Chiba.

I.1)

Reducción de emisión de CO2 basado en el cambio modal: El cambio modal implementado en la fábrica Mine, consistió en priorizar la utilización de transporte marítimo como lo indica la figura siguiente:

Figura 31: cambio modal de la planta Mine.

El gobierno japonés promueve " el cambio modal " en el sector de transporte como una de sus políticas para luchar contra el calentamiento global. El cambio modal apunta al cambio del transporte de carga de caminos al barco y tren. Esto porque el transporte carretero implica impacto ambiental alto, mientras que con el transporte por barco y tren implica un impacto ambiental bajo. Típicamente si la misma cantidad de carga es embarcada para una misma distancia por un barco, por camión, y por tren, entonces la cantidad de CO2 emitido en el barco y el transporte de tren será aproximadamente un cuarto y un octavo de lo emitido en el transporte con camión, respectivamente.

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Japón es un país de islas que comprende islas de varios tamaños, por lo que el transporte marítimo puede ser utilizado en forma extensiva. Por otro lado, tiene una red ferroviaria bien desarrollada. Todas estas son condiciones favorables para el cambio modal en el transporte de carga. Hoy en día varios negocios japoneses trabajan para reducir los gases de calentamiento aplicando este cambio modal, esto es lo que han aprovechado para transportar productos de cal. El cambio modal para la cal significa que cada año suministran 120.000 t. de cal viva en trozos y 24.000 t. de cal granulada a un cliente de región costera. Antes se le enviaba la cal en camiones. Sin embargo, hoy el modo de transporte es una combinación de barcos y camiones. En cuanto a la carga de productos en barcos, la cal viva en trozos es cargada en contenedores propios, desarrollados especialmente para transporte marítimo, mientras que la cal viva granulada es cargada en silos en el barco como lo indica la figura siguiente:

Fotografía 4: carguío de silos y contenedores

Las siguientes consideraciones se han realizado, para poner en práctica el cambio modal. I.1.1 La cal viva en trozo es embarcada en contenedores marítimos. Estos contenedores marítimos son propios, desarrollados en forma especial aumentando la hermeticidad, para prevenir la degradación de la calidad de producto. I.1.2 La cal viva granulada es embarcada en los silos que son instalados encima de los barcos para alcanzar el transporte en todo tiempo, independiente de las inclemencias de éste. I.1.3 Se instalaron en cada barco dos tubos sopladores uno en el nivel superior y otro en el nivel inferior, que permiten nivelar la carga de los cambios de marea durante la descarga de los camiones sobre el barco.

152

La comparación entre la emisión anual CO2 del transporte de producto antes y después del cambio modal es la siguiente: Antes del cambio modal

Emisiones de CO2

8.569

Después Reducción del cambio modal [t/año] 2.714 5.855

Tasa porcentual de reducción % 68,3

Tabla 15: Emisiones de CO2 antes y después del cambio modal.

Se redujo aproximadamente el 30% del nivel anterior al cambio modal, causando una reducción anual de 5.855 t. de CO2. El uso de camiones ha sido el modo principal de transporte de cal en las distancias media. Sin embargo, basado en el cambio modal han continuado con la implementación del sistema para otros clientes. I.2)

Reducción de emisión de CO2 por empleo eficiente de combustibles reciclados: En Japón, tanto la basura combustible industrial de la refinación del petróleo e industrias petroquímicas, como la basura combustible municipal de casas y restaurantes son incineradas. Sin embargo, un poco de este tipo de basura puede ser usada suficientemente como combustibles reciclados si es sometida a un proceso de refinación apropiado. Actualmente, en la industria de la cal usan tales combustibles reciclados como reemplazo para el petróleo pesado y reducir la emisión de CO2. La planta Chiba que está localizada en el complejo industrial de Keiyo, una de las principales zonas industriales de Japón. En este complejo están instaladas varias refinadoras de petróleo y plantas petroquímicas, donde la basura de estas plantas puede ser usada como combustibles reciclados, en sus hornos de cal y dispositivos de desnitrificación. La planta Chiba tiene cuatro hornos Beckenbach de cuba vertical y dos dispositivos de desnitrificación. Están ampliando el uso de combustibles reciclados y actualmente representan aproximadamente el 40% de la energía total consumidas en sus instalaciones. Aprovechando que las fuentes de combustibles reciclados están disponibles cerca de la planta Chiba, decidieron usar los combustibles reciclados. Los tipos de combustible actualmente reciclado con sus propiedades físicas son:

153

Combustible

Poder calorífico

Estado (normal)

Punto de Fusión

Punto de ebullición

[°C]

[kJ/L] Aceite reciclado

35,2

Líquido

Combustible plástico

36,4

Sólido

~ 200

Subproducto de aceite

37,3

Sólido

~40

Brea graso ácida

335

Sólido

~ 30

Aceite de desecho de comida

335

Sólido

~ 30

Aceite de desecho vegetal

335

Sólido

~ 30

Difenilamina

335

Sólido

~60

~ 70

Tabla 16: propiedades físico química de los combustibles utilizados

El uso de la introducción de combustibles reciclados ha implicado varias aprensiones tales como: I.2.1 El suministro de aceite debe ser seguro I.2.2 Se debe mantener un pretratamiento de los combustibles refinados para alcanzar propiedades estables físicas. I.2.3 La mayoría de los combustibles reciclados se encuentran en estado sólido a temperatura y presión ambiental, por lo que requieren estanques y cañerías “warmers” para utilizar éstos en forma líquida. I.2.4 Los combustibles reciclados, que tienen un suministro limitado, deberían ser mezclados con otro combustible, por lo que requieren investigación previa sobre la compatibilidad que se mezclen varios combustibles y los cambios de su poder calorífico. Como han ampliado el uso de combustibles reciclados, han podido ir solucionando cada una de las aprensiones indicadas. Por consiguiente, el empleo de este tipo de combustibles en la planta de Chiba ascendió en el equivalente de petróleo crudo en el 2004 a aproximadamente 23.000 kL . Específicamente 2,65 t. de CO2 se generan por quemar 1kL de petróleo crudo, esto indica que el empleo de combustibles reciclados reduce la emisión de CO2 por aproximadamente 61.000 t/año. 154

Estos combustibles reciclados, también son utilizados en la planta Mine, aunque la cantidad utilizada es menor que la usada en Chiba, aproximadamente 4.000 kL de equivalente de petróleo crudo fueron utilizados el 2004, lo que significa una reducción de 10.600 t. de CO 2 . Por lo tanto en ambas plantas, Mine y Chibas se ha reducido un total de 71.600 t. de CO2 y continúan ampliando el empleo de este tipo de combustibles reciclados en ambas plantas, en particular la planta Mine está más lejos de reducir la emisión de CO2. En su trabajo “Measures for Environmental Impact Reduction” Yoshiaki Nishimura de Ube Material Industries, Ltd., Japan, entrega información detallada de los cambios operacionales que realizaron en sus hornos en ambas plantas Año 1990

2004

Miles de toneladas Producción de cal viva Emisión de CO2 en la energía originada por cal viva producida Emisión de CO2 en la energía originada por unidad de cal viva producida

1272.8

1367

569.4

546

0.447

0.399

Variación [porcentaje de incremento o disminución] Año fiscal base: 1990 94,2 [+7,4%] -23.4 [-4,1%] -0.048 [-10.7%]

Tabla 17: Volumen de producción de cal viva y energía original relacionada con la emisión de CO2.

Cuando se produce una combustión incompleta, las emisiones de monóxido de carbono (CO) generalmente representan una pérdida de eficiencia. Sin embargo, en algunos tipos de hornos, cuando fabrican ciertos productos, los niveles de monóxido de carbono son necesarios para las condiciones de combustión requerida y la calidad del producto. Algunas calizas contienen carbón, el cual puede conducir a emisiones de CO mayores en el proceso de quemado de la cal. Emisiones típicas de CO de varios tipos de hornos de cal son:

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Tipo de Horno

mg CO/Nm3 (1)

kg CO/t. de cal (2)

Cal viva alto calcio, cales dolomíticas quemada suave y quemada dura

Cuba con lecho mixto Doble cuba inclinado Multi cámara Cuba anular Cuba con flujo regenerativo paralelo Otros de cuba Rotatorio quemado blando Rotatorio quemado duro Con parrilla transportadora

12-37 < 1,4 < 1,4 < 1,4 < 1,4 < 1,4 1,2-12 1,2-12 < 1,3

42-130 <5 <5 <5 <5 < 50 5-50 5-50 <4

37-63 0,6-6

70-120 5,50

Dolomita quemada a muerte

Cuba con lecho mixto Rotatorios (1): (2):

Las concentraciones de las emisiones son el promedio de un año, y son valores indicativos basados en varias técnicas de medida. O2 contenido normalmente 10%. Basado en los volúmenes de la descarga de gas (húmedo) típico de 3.500 Nm3/toneladas de cal de horno de cuba y parrilla transportadora, 4.000 Nm3/toneladas de cal para hornos rotatorios que calcinan calizas de alto calcio y dolomita, 1.900 Nm3/toneladas de cal para hornos de cuba alimentación mezclada para dolomita calcinada a muerte, y 8.500 Nm3/tonelada de cal para hornos rotatorios para dolomita quemada a muerte.

Tabla 18: Emisiones típicas de CO desde algunos tipos de hornos.. [Eula]

Otro factor contaminante en la producción de cal son los polvos: 17.4 Polvos: Se producen en distintas etapas del proceso de producción de cal, entre otras: a)

Calcinación de la caliza: La generación de polvo proviene de partículas finamente divididas en la alimentación de la caliza, desde degradación térmica y mecánica de la cal y caliza dentro del horno, y, en un grado menor, desde la ceniza del combustible. Los niveles de generación de polvo varían considerablemente, entre otras cosas, dependiendo del diseño de horno, y rangos de 500 a más de 5.000 mg/Nm3, corresponden a aproximadamente 2 a 20 kg/tonelada de cal viva (basado en 4.000 cal Nm3/t. de cal). Todos los hornos rotatorios son equipados con equipamiento para colección de polvo, como lo es también la mayor parte de hornos de cuba. A causa del amplio rango de condiciones para los gases de escape, se utiliza una variedad de colectores de polvo, entre los que se incluyen ciclones, scrubber húmedos, filtros de tela, precipitadores electrostático y filtros de cama de grava. Después de la disminución o el abatimiento, las emisiones típicamente quedan con un rango entre 30 a 200 mg/Nm3, aproximadamente 0,1 a 0,8 k/tonelada de cal viva (basado en 4.000 cal Nm3/t. de cal). 156

Hidratación de cal: La emisión de polvos de las plantas de hidratación es un volumen bastante pequeño, los niveles se sitúan cerca de los 800 m3/t. de cal hidratada, lo que puede contener unos 2 g/m 3 de polvo antes de la disminución. Así la generación de polvo puede llegar a ser cerca de 1,6 k/t de cal hidratada, se utilizan tanto scrubbers húmedos, como filtros de mangas para eliminar el polvo de la emisión. Los niveles de la emisión después de la disminución o abatimiento quedan en un rango de 20 o más de 200 mg/m3, lo que corresponde aproximadamente entre 0,016 a 0,16 k/ t. de cal hidratada.

Molienda de cal: El aire es circulado por todo el equipo de molienda para remover la cal gruesa del tamaño de partícula requerido El producto es separado del aire en filtros de mangas, a menudo precedidos por ciclones. Entonces, la colección de polvo es una parte incorporada en el proceso. Los niveles de emisión típicamente se ubican en el rango de 20 a 50 mg/Nm3, lo que corresponde a un rango entre 0,03 a 0,075 k/t. de cal (en un flujo de aire típico de 1.500 Nm3/t. de cal).

Operaciones anexas: Operaciones anexas que pueden incluir chancado, harneo, transporte, almacenamiento y descarga. La emisión de polvo es controlada por el uso de contenedores y, en muchos casos, por extracción del aire con equipos de baja o leve succión. El aire es pasado a través de filtros de mangas y el polvo colectado generalmente es retornado al producto.

Polvos fugitivos: Estos polvos que generalmente provienen del stock de almacenamiento de materiales crudos y combustibles sólidos pueden causar problemas.

Otras sustancias que generan problemas al medioambiente: 17.5 Compuestos orgánicos volátiles: Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) pueden ocurrir en tiempos cortos durante las condiciones del inicio de operación del horno. Tales eventos pueden ocurrir con frecuencias que varían un par de veces por año para hornos rotatorios y desde una a 10 veces por año para hornos de cuba o verticales. En un número de casos muy limitados, donde la caliza contiene significantes cantidades de materia orgánica, estos compuestos son emitidos continuamente. a)

Dibenzodioxinas policlorados policlorados (PCDFs):

(PCDDs)

Dibenzofuranos

Tanto las materias primas como los combustibles pueden contener potencialmente cloruros, y éstos son los que producen la formación de dibenzodioxinas (PCDD) y debenzofuranos (PCDF) policlorados durante 157

el calor en el proceso de combustión del horno de cal. Los datos indicados en el documento “ La identificación de las Fuentes Industriales Relevantes de Dioxinas y Furanos en Europa” (“Identification of Relevant Industrial Sources of Dioxins and Furans in Europe”) indican que las fábricas de cal tienen una importancia menor en el total de emisiones de PCDD/F en Europa. (Materialien, 1997) Valores obtenidos por la Asociación Europea de Cal (EuLa) desde 7 hornos, de los cuales 4 fueron rotatorios y 3 verticales, muestran niveles de dioxina bajo. Del mismo modo medidas realizadas en dos hornos rotatorios en Alemania fueron la mitad de los anteriores según LAI en 1994. Sin embargo, la escasez de medidas quiere decir que no se pueden excluir fábricas individuales que en Europa provoquen un impacto local (Materialien, 1997]. Los niveles significativos de dioxinas que han sido medidos, entre 1989 y 1993 en Suecia en 3 hornos, de los cuales dos fueron rotatorios, también son moderados entre 4,1 y 42 ng/TCDDequivalentes(Nordic)/Nm3. Todas las medidas de niveles altos de dioxinas han sido explicados no por las calizas y/o el contenido de combustible, o menos por las condiciones optimas de quemado, La importancia de controlar el horno, conduce a que éste se mantenga con una operación estable. Dos de estas plantas utilizan caliza con un contenido natural de alquitrán, lo que provoca altas emisiones de VOCs. Una medida de 12,2 ng/m 3 fue encontrada en un horno rotatorio después del cambio de combustible de petróleo a carbón, el que fue realizado en un tiempo más corto que lo normal. La medida de 42 ng/m3 fue hecha en un horno rotatorio durante una prueba a escala industrial con aceite usado. Debido al alto valor de dioxina emitido por el horno, no permitieron el uso de aceite usado (Branschraport, 1994] [Junker] 17.6 Metales: Hay pocos datos disponibles y que estén relacionados con la emisión de metales. La alta pureza de la caliza utilizada, por la mayoría, para la producción de cales vivas y dolomíticas, permite concluir que las emisiones de metales son normalmente bajas. Medidas en distintos tipos de hornos que ha obtenido la EuLA, muestra que los niveles de Cadmio, Mercurio y Talio son bajos 0,1 mg/NM3. 17.7 Desechos: Primero los diseñadores de hornos de cuba siempre consideran dos tipos de productos, una fracción fina impura (posiblemente mezclada con ceniza del combustible) y una fracción gruesa consistente a la calcinación. Los hornos modernos pueden tener una muy pequeña cantidad de producto fuera de especificaciones y si llega a ocurrir, este consiste principalmente en el polvo que es colectado desde los gases de escape, el que generalmente alcanza valores de 0 a 5% del total, dependiendo de las características de los alimentadores de caliza

158

y de la cal viva producida. Pequeñas cantidades de caliza parcialmente calcinada se produce en el horno en el inicio de sus operaciones y durante las paradas del mismo. Tales eventos pueden ocurrir con un rango de frecuencia de cada 6 meses o cada 10 años. Algunas planta hidratadotas mejoran la calidad de la cal hidratada y para ello remueven la cal de menor calidad, la que generalmente consiste en el material grueso, una fracción enriquecida en carbonato. Esta menor calidad de material puede ser incorporado en los productos donde sea posible o bien utilizados como material de relleno en los suelos. 17.8 Ruidos: En el carguío de la caliza gruesa en la alimentación del horno de cal, puede producir niveles de ruidos que requieren ser abatidos. Las tolvas, chutes de traspaso u otros, pueden ser cubiertos o “lineados”, interna o externamente, con material elástico o de goma resistente. Ventiladores utilizados para los gases de escape desde el horno y sopladores con desplazamiento positivo que son utilizados para suministrar aire a la combustión, puede producir ruidos los cuales se requiere silenciar, silenciadores de salida y aislamiento de ductos son utilizados para alcanzar la reducción requerida.

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18. LEGISLACIÓN Y MONITOREO. 18.1. Legislación: En Chile se debe cumplir la normativa medioambiental vigente en todo el territorio del país en cuanto a emisiones, polución, y ruido. 18.2 Monitoreo: Según la Asociación Europea de cal (EuLA) la fiabilidad de monitoreo continuo para la industria de la cal no se ha establecido y no es justificada. La Asociación es de la opinión que debido al tamaño de la planta, la estabilidad de los procesos de la fabricación de cal y las consideraciones de costo no es necesario ni práctico un monitoreo continuo. Indica que esto podría ser apropiado en el monitoreo de hornos rotatorios continuos, de los cuales no hay mucha información disponible, pero al menos un horno rotatorio en Alemania esta monitoreando las emisiones de polvos y el NOx continuamente. Las mejores técnicas de abatimiento de los potenciales compuestos o actividades que pueden afectar al medioambiente, ha sido abordado por otros autores y es específica para cada fábrica de cal, porque depende, entre otros, del equipamiento utilizado, de la capacidad de producción, de las políticas medioambientales, etc.

160

19.

TECNICAS EMERGENTES PARA LA INDUSTRIA DE LA CAL.

19.1 Calcinación en lecho fluidizado: La calcinación de caliza fina en lecho fluidizado ha sido practicada a pequeña escala por muchos años, y esta tiene potenciales ventajas, incluyendo: a)

El uso de la caliza fina sobrante

Bajas emisiones de NOx y

Bajas emisiones de SO2, cuando se utilizan combustibles sulfurados, o altos en azufre.

Ahora la técnica no tiene la particularidad de utilizar un calor específico bajo. Los productos finamente divididos, en Europa, no son satisfactorios para muchas aplicaciones y los niveles de carbonato de calcio residual o material crudo es relativamente alto. Los problemas iniciales cuando usan la técnica para hornos con capacidad productiva por más de 150 tpd al parecer ya fueron resueltos. La siguiente figura muestra un diagrama esquemático de un horno con lecho fluidizado, la caliza fina es alimentada al precalentador, que utiliza el aire caliente de los gases de escape del horno mediante un intercambiador de calor. La caliza precalentada entonces ingresa a la primer lecho fluidizado donde la temperatura es incrementada y la caliza comienza a ser calcinada. Como la caliza es calcinada, la cal viva fluye sobre la pared para introducirse en la próxima cama fluidizada donde la calcinación es terminada. La cal viva entonces pasa por el enfriador donde es enfriada con aire ambiental.

Figura 32: Horno de lecho fluidizado [UK IPC Note, 1996]

Aunque la tecnología de lecho fluidizado puede ofrecer menor polución que otras tecnologías de hornos de cal, esto no esta probado y puede solamente producir cal fina con alta reactividad. 19.2 Calcinación flash / preacalentamiento suspendido: La técnica de alimentar caliza finamente dividida vía un precalentamiento suspendido a un calcinador flash, fue desarrollada en la industria cementera. Sin 161

embargo, esto es solamente conveniente para un rango limitado de calidades de caliza y ha sido usado en muy pocas instalaciones. Dos hornos han sido instalados en Australia usando esta técnica. En uno el producto desde el calcinador flash es pasado a través de un horno rotatorio corto. La sección rotatoria es diseñada para controlar el contenido de carbonato residual y la reactividad de la cal dentro de las especificaciones de los clientes. La técnica es particularmente conveniente para calizas “arenosas” como el calcinador flash acepta alimentación de caliza en el rango de 0 a 2 mm, se entiende que tiene altos costos de inversión, los cuales son probablemente una restricción para el empleo en niveles relativamente grandes (por ejemplo, aproximadamente 500 t/día) Varios ductos y ciclones son usados para precalentar la caliza antes de que ingrese al calcinador flash extrayendo el calor desde del gas de escape. Los finos de caliza tienen gran área superficial, por lo que pueden ser introducidos al ducto con una velocidad suficiente para llevarlas al separador de ciclón, donde las partículas son separadas del flujo de gas y alimentadas a la otra combinación de ducto/ciclón, para un fuerte precalentamiento o alimentarlas nuevamente al calcinador flash. Debido a esa área superficial de las partículas y al buen mezclado con el flujo de gas, la transferencia de calor es casi ideal, la combustión es instantáneamente transferido a la caliza, esto hace que el combustible sea quemado a una temperatura baja, causando cal muy reactiva, si así se desea, resultando que la temperatura del gas y de las partículas sean la misma durante el tiempo que ellas sean separadas en el ciclón. Por lo tanto, el calcinador flash puede ser ajustado, para producir, de ser así requerido, una cal menos reactiva. Por lo tanto, un calcinador flash, más una trituradora de sobretamaño y un clasificador de tamaño partículas, pueden integrarse y formar todo el sistema, donde se puede alimentar caliza fina, entre 3/8 pulgadas hasta polvo, al calcinador. Como lo muestra la figura, el calcinador flash es una vasija similar en apariencia a un ciclón donde todo el combustible es inyectado para que la calcinación se realice.

162

Figura 33: vistas de calcinadores flash

163

20. CONSIDERACIONES PARA ELEGIR UN HORNO DE CAL. Tal como se menciona en el artículo “comparación de hornos de cal” presentado originalmente en 1992, en la reunión de operadores de la National Lime Association de Estados Unidos por Daniel Sauers cuando se desempeñaba en el departamento de procesos de ventas de Fuller Co.; Neal Biege Sr, Gerente General de la división de cales para papel y desulfurización de gases de Fuller; y Diana Smith gerente de aplicaciones de Fuller. Me pareció interesante finalizar este libro mostrando algunos cuadros que ellos realizaron y que pueden ser de interés general, como por ejemplo la comparación que hacen del costo operacional de los hornos, en el cual para una condición de comparación de cuatro hornos: horno largo; horno con precalentador; horno de cuba y horno calcinador flash, el costo más alto es el horno largo, lo que si hacen el alcance que la disponibilidad de hornos usado puede distorsionar la comparación, debido al menor costo de los verticales de cuba o los rotatorios largos, pero no dejan de señalar que, en la mayoría de los casos, el costo asociado al desmontaje, reparación, transporte, e instalación de un horno usado puede compensar el bajo costo de compra inicial. La tabla de gastos operacionales que muestran, donde se utilice carbón como combustible se incluyen los gastos de operación del molino de carbón, pero se excluyen los equipos anexos o auxiliares y es la siguiente: Costo total de operación

Tipo de horno

Combustible [BTU/t.corta]

Costo Refractario

Energía [kwh/t. corta]

Muy bajo

Cuba

3.000.000

Bajo

Flash

4.200.000

Bajo

Medio

Precalentador

4.700.000

Medio

Alto

Largo

6.400.000

Alto

Tabla 19: Gastos de operación en distintos hornos

Cuestionan su análisis comparativo ya que señalan que si estos fueran los únicos factores a considerar, la respuesta podría ser simple, comparar el costo de inversión contra el gasto de inversión y escoger el horno de menor precio. Sin embargo, dos preguntas importantes necesitan ser realizadas y que deben ser contestadas: ¿Puede el producto del nuevo horno ser vendido a algún mercado específico? ¿Trabajará el horno relativamente sin problemas con la caliza que se disponga?. La pregunta de comercialización del producto la asumen como compleja cuando se instala un nuevo tipo de horno. Esto sólo puede ser contestado trabajando con el proveedor del horno y consultores de los departamentos comerciales y de ventas, y en algunos casos, directamente con los usuarios de cal. Sin embargo para la segunda interrogante, su respuesta señala lo más probable es que para los experimentados suministradores de hornos de cal y los consultores, puede ser establecido con un alto grado de seguridad que esto funcionará. Sobre nuevas tecnologías como calcinadores flash, propondrán le ejecución de pruebas

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pilotos a gran escala y extendidas, para asegurar que una materia prima dada, será conveniente y proporcionará una buena muestra del producto. En cuanto a la economía de escala que se puede lograr con los distintos hornos, dejan claro que los costos de inversión indicados anteriormente se sostendrán como verdaderos o reales para rangos de 500 a 1.200 tpd. Y su comparación sostiene que el horno de cuba es más competitivo que los otros en el rango de 100 a 400 tpd cuando utilizan aceite o gas. El calcinador flash tiene ventajas competitivas sobre las 1.200 tpd. El costo de inversión para dos o tres hornos de cuba que logren entre 1.000 y 1.500 tpd puede ser competitivo con un horno largo o con precalentador ya que ambos hornos rotatorios, largo y con precalentadores ganan eficiencia por su alta capacidad (1.000 a 1.500 tpd). Tipo de horno

Tpd

Rotatorio largo

100 a 1500

Rotatorio con precalentador

100 a 1500

Vertical de cuba

50 a 600

Calcinador flash

500 a 3000

Tabla 20: Rangos de capacidad operacional en distintos hornos

En su análisis no dejan de lado lo referido al tamaño de alimentación de la caliza al horno, ya que ésta varía dependiendo del tipo de sistema usado para la calcinación. Cada sistema tiene su propio tamaño de alimentación, porque son únicos en el modo que la operación de calcinación es lograda. En cuanto a ello, hacen el alcance que el rango de tamaño de alimentación y la proporción del tamaño de alimentación recomendada para los diferentes tipos de sistemas de calcinación, son los siguientes: 20.1. Razón de tamaño de alimentación a considerar: Horno

Rango de tamaño Proporción de alimentación

Vertical o de Cuba 8” a ¾”

Con Largo Precalentador 21/2” a 3/8” 21/2” a 7 mallas (2,83 mm)

Max 1:3 Preferible 1:2

1:5 Preferible < 1:4

1:3 Preferible 1:2

Calcinador Flash 0 a 10 mallas (2,00 mm) <20% # 325 (0,045 mm)

Tabla 21: Rangos de tamaño de alimentación para distintos hornos

Cabe señalar que estas sugerencias de tamaño deben ser hechas, ya que no existen per se en la roca y obviamente variarán con los distintos equipos de alimentación, equipos auxiliares y combustible que se utilice.

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Entre otros, factores, indican y mencionan que las razones por las cuales el horno de cuba regenerativo utiliza gran tamaño se debe a: a) b) c) d) e)

Bajo sistema de caída de presión Mejor distribución del gas de combustión Mejor flujo de material Mejor calidad del producto; y Largo tiempo de retención

Entregan una detallada reseña de la incidencia de cada una de las peculiaridades indicadas anteriormente en el horno de cuba o vertical regenerativo y para cada uno de los hornos que comparan, lo que a mi juicio es una muy buena guía para conocer más en detalle el funcionamiento de cada horno según el tamaño de caliza que sea alimentado. Continúan su análisis sin perder de vista la utilización integral de la cantera de caliza, y para ello mencionan los tipos de hornos que deben ser seleccionados con el fin de obtener un 100% de utilización de las calizas en la producción de cal. Para lo anterior la descripción de cada diseño en el circuito de chancado que se debe implementar, examinan tres circuitos que permiten mostrar la diferencia relativa que puede ocurrir en la utilización de cantera. El primer diseño que muestran es un circuito común y corriente que incorpora un triturador de mandíbula con harnero, y triturador de cono en un circuito cerrado con una malla vibratoria. Este circuito es para una alimentación de 1.000 tph de material extraído directamente de la mina (Run Of Mine) y obtienen tres productos La forma de trabajar es que el chancador de mandibulas toma el ROMF de 5 pulgadas y el chancador de cono hace la reducción final y produce tamaño a menos de 2 pulgadas La totalidad de finos producidos en el circuito es el 24% del ROMF, por lo tanto, la utilización del circuito de chancado es de 76%. El consumo de electricidad del triturador de mandíbula también es muy bueno y se extiende de 0.7 a 0.9 kwhr/ton. Los costos de mantenimiento también son relativamente bajos. Una desventaja del circuito del triturador de mandíbulas es que por lo general requiere un harnero para obtener la capacidad máxima porque el tamaño del triturador es afectado por la cantidad de finos en la alimentación. El otro circuito común de diseño de chancado, incorpora un triturador giratorio y un triturador de cono en circuito cerrado con una malla, también es para triturar 1,000 tph de ROMF y produce las mismas líneas de producto que el primer ejemplo. La cantidad de material fino producido en este circuito es del 27 % de ROMF. Por lo tanto la utilización de cantera para este circuito es el 73 %. El consumo de electricidad también es muy bueno y típicamente se extiende entre 0,7 y 0,9 kwhr/ton. Los costos de mantenimiento son relativamente bajos. Esto, también tiene la ventaja de que su tamaño no es afectado considerablemente por la cantidad de bajo tamaño que contenga la caliza en la alimentación, entonces no requiere harnero alguno. El tercer circuito de chancado, incorpora una trituradora de impacto en circuito cerrado con una malla. Este sistema también tritura 1.000 tpd de ROMF y produce

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la misma cantidad de productos como el primer ejemplo. La cantidad de material fino producido en este circuito es de 34% de ROMF. Entonces la utilización de chancado de este circuito es de 66%. Los chancadores de impacto están disponibles en rangos de tamaño aproximados tan grande como 1,500 tph Sobre la única ventaja del circuito del chancador de impacto es que tiene un costo de instalación más bajo. El consumo de electricidad es bastante más alto que el de mandíbula y que los chancadores giratorios y típicamente es del orden de 1,2 y 1,5 kwhr/ton. Los costos de mantenimiento también son bastante más altos el de mandíbulas o los trituradores giratorios. Además de lo indicado anteriormente en la comparación señalan lo siguiente: El triturador de mandíbula es una buena opción para una proporción de alimentación entre 600 a 800 tph, pero por sobre esta cantidad de material alimentado el chancador giratorio o el triturador de impacto debe ser usada, porque los diseños del triturador de mandíbula no son económicos. El chancador giratorio es el mejor elegido cuando la proporción de alimentación excede las 600 a 800 tpd o el ROMF tiene una considerable fracción de peso de material muy grueso. Los chancadores de impacto están disponibles en rangos de tamaño aproximados tan grande como 1.500 tph. Para resumir, la decisión final en cuanto a cual tipo de sistema será escogido, dependerá del costo de inversión, gastos de explotación, el tamaño de alimentación de ROMF y la granulometría, el contenido de silice alimentada, y la tasa de producción requerida. Comparando con el tipo de horno y la utilización de la cantera, mencionan que las plantas de cal que operan hoy día incorporan una amplia variedad de tipos de hornos y combinaciones de éstos, por lo que es imposible completar o cubrir todos los tipos de combinaciones de hornos en su artículo, por lo que comparan solo dos ejemplos. El primero basado en una planta de cal de 1.000 tpd que utiliza dos hornos con precalentador de 500 tpd. Planta de chancado primario utiliza un triturador de mandíbula y el chancado secundario con un triturador de cono en circuito cerrado con una malla. El producto del chancador de mandíbulas es alimentado a una cubierta con tres mallas (solamente se usan dos cubiertas) que están en circuito cerrado con un chancador de cono. Dos tamaños de productos son producidos desde el circuito de chancado 0 a 3/8 de pulgadas y 3/8 a 2 pulgadas. El material utilizable para el precalentador del horno es de 3/8 a 2 pulgadas. Todo lo que está bajo 3/8 de pulgadas debe ser desperdiciado o vendido como material de agregado. Para el circuito de chancado pueda producir bastante alimentación entre 2 a 3/8 de pulgadas para satisfacer los dos hornos con precalentador de 500 tpd, la tasa de

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alimentación al circuito tendrían que ser 367 tph basados en operación de 7 hr/día, y el producto separado debería ser similar a: f) g)

Para 2 a 3/8 pulgadas, Para 0 a 3/8 pulgadas,

279 tph 8 tph

Esto quiere decir que el 24 % de la alimentación termina como lo que se denomina rechazo. Esta separación o división es sólo un ejemplo de una caliza típica con algunas suposiciones de simplificación. La producción real de bajo tamaño probablemente sería más cercana al 30%. Algunos operadores experimentados de planta de hornos con precalentador la pérdida de alimentación al horno es del 40 %, aunque su planta de chancado y caliza alimentada fuera lo más probable diferentes a este ejemplo. En el análisis final, la producción de bajo tamaño dependerá del sistema específico de chancado y de las características específicas de la caliza. Si la planta decide ampliarse, ellos podrían continuar instalando hornos con precalentadores o considerar la instalación de un horno vertical de cuba y/o un calcinador flash. En este ejemplo, el horno con precalentador original de 1.000 tpd decide instalar un horno de cuba regenerativo de 500 tpd para dar una capacidad total a la planta de 1500 tpd. La malla original es redefinida con una malla de 5 pulgadas y una parte del producto de 2 a 5 pulgadas es devuelto al chancador de cono para encontrar la separación requerida por el producto. Tres corrientes o líneas de producto son formadas Este circuito de chancado puede producir bastante alimentación para los dos hornos de 500 tpd con precalentador y para el horno de cuba de 500 tpd, la tasa de caliza alimentada al circuito sería de 498 tph basados durante una operación de 7 hora por día, la distribución del producto se parece a esto: h) i) j)

Para 2 a 5 pulgadas 133 tph Para 3/8 x 2 pulgadas 279 tph Para 0 x 3/8 pulgadas 86 tph

Esto es evidente que hay una significante reducción de material rechazado, ahora este material es 17% del ROMF , en vez del 24% cuando funcionaba solo el horno con precalentador. El último toque sobre el sistema es que debería instalarse un calcinador flash para manejar la cantidad todavía significativa de rechazo producido. Si fuera instalado un calcinador flash, el único rechazo generado sería el polvo de los filtros. La completa división de producto se quiebra, ahora es reunido para incorporarlo en dos hornos con precalentador de 500 tpd, un horno vertical regenerativo de 500 tpd , y un calcinador flash de 300 tpd. La tasa de alimentación del sistema de chancado es apropiada, se puede jugar con la fracción de alimentación al horno de cuba. La

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tabla siguiente muestra el quiebre o avería que ocurre, asumiendo las 7 horas por día de operación del chancado.

Dos hornos con precalentador 500 tpd Un horno vertical de cuba 500 tpd Un calcinador flash de 300 tpd

Tasa alimentada Cal viva requerida TPH producida TPD 279 1.000 133 500 86 300 498 1.800

Tabla 22: Razón de alimentación para distintos hornos

La tasa de caliza para alimentación total requerida a la planta de chancado es de 498 tph. Cuando las operaciones de chancado estén funcionando 7 horas por día, serán producidas un total de 3,486 tpd de caliza chancada para alimentación. Esto es esencialmente la utilización del 100 % de la cantera si las pérdidas de polvo de los filtros no son descuidadas. El orden de expansión para los distintos tipos de hornos normalmente podría ser primero un calcinador flash de 300 tpd y después como segundo un horno vertical de cuba de tpd. Esto es porque sería más económico instalar el calcinador flash primero porque el material fino ya estaría producido desde la preparación para alimentar el horno con precalentador y no se requerirá ningún equipo adicional en el circuito de chancado. Otro punto a considerar es que el significante material fino acumulado fue generado en el lugar de funcionamiento del horno con precalentador, entonces la utilización de la cantera inicial excederá el 100% hasta que se acabe el stock porque la cal viva está siendo producida con alimentación de caliza que fue producida años atrás. Una comparación de utilización de la cantera durante cada fase se muestra en la tabla “Utilización de la cantera” Utilización de la cantera Fase I : hornos con precalentador (2) de 500 tpd Fase II : calcinador flash (1) de 300 tpd Fase III : horno de cuba vertical adicional (1) de 500 tpd adicional

% 76 100 100

Tabla 23: utilización de la cantera para cada fase

En cambio si el horno de cuba vertical hubiese sido adicionado en segundo lugar en reemplazo del calcinador flash, la utilización de la cantera sería como lo indica la tabla 24 Utilización de la cantera Fase I : hornos con precalentador (2) de 500 tpd Fase II : horno de cuba vertical adicional (1) de 500 tpd adicional Fase III : calcinador flash (1) de 300 tpd

% 76 83 100

Tabla 24: optimización del uso de la cantera

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Esto es evidente que desde el punto de vista de la utilización de la cantera es más ventajoso instalar el calcinador flash antes que el horno vertical de cuba. Desde un punto de vista comercial, esto no puede ser posible si no existe mercado para cal viva fina o molida. Lo que en Chile la cal viva molida está siendo un incipiente mercado, dado que las plantas concentradoras de cobre, están considerando plantas de preparación de lechada de cal con agua de mar donde éstas no consideran molienda de cal y sólo se utilizan apagadores con agitadores que llevan incorporados harneros para eliminar la arenilla que se forma con la cal nacional. Aunque la cal viva molida puede ser considerada más dificultosa, para manejar que la cal viva granulada, la tecnología es útil y efectiva en el manejo de ésta El segundo ejemplo presentado esta basado sobre una nueva planta de cal que instalará dos hornos verticales, de cuba, regenerativos de 500 tpd. El circuito de chancado utilizado en la planta es un chancador o triturador de mandíbulas y un chancador de cono en circuito cerrado con un harnero. El sistema produce cuatro productos de distinto tamaño: k) l) m) n)

Entre 2 y 5 pulgadas. Entre ¾ y 2 pulgadas; Entre 3/8 y ¾ de pulgadas; y Menos 3/8 de pulgadas.

El horno vertical, de cuba, regenerativo no puede utilizar material que está bajo los 3/8 de pulgadas, entonces los tres tamaños de alimentación superior son utilizables. Un horno sería alimentado con caliza entre 2 a 5 pulgadas, mientras que el otro horno es alimentado con caliza entre ¾ a 2 pulgadas. El tamaño entre 3/8 y ¾ de pulgadas sería almacenado o apilado hasta acumular la cantidad necesaria requerida para al menos alimentar las operaciones una semana Debería notarse que la trituradora de cono no es necesaria si la planta está dispuesta a tratar con la logística y proporciones de producto desiguales para los dos hornos. En este ejemplo el chancador de cono fue instalado, para permitir rechancado de un poco del tamaño alimentado entre 2 y 5 pulgadas de modo que los valores de los dos tamaños alimentación superiores fueran iguales. Para esta planta de chancado pueda producir bastante alimentación para los dos hornos de cuba regenerativos de 500 tpd, la tasa de alimentación al circuito tendrían que ser 357 tph durante las 7 horas del día de operación. El rango de producto se parecería a lo indicado en la tabla 25: Caliza chancada o triturada Entre 2 y 5 pulgadas Entre ¾ y 2 pulgadas Entre 3/8 y ¾ pulgadas Menos 3/8 pulgadas (desechos)

TPH 133 133 38 53

Tabla 25: Tasa de alimentación según tamaño de caliza

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En este ejemplo la cantidad de material fino bajo 3/8 pulgada (desechos) está limitado a cerca del 15%, por lo tanto la utilización de la cantera es de 85%. Si este ejemplo es comparado con el primero, en el cual se instaló un horno con precalentador, es evidente que la utilización de la caliza con un horno de cuba es mejor que el horno con precalentador. 85% v/s 76% de utilización de la cantera. Desde luego la utilización del 100 % de la cantera también podría ser alcanzada con la instalación de un calcinador flash de 200 tpd para calcinar el material bajo 3/8 de pulgadas (desechos) Las economías presentadas en este documento muestran que ahorros de costos de producción significativos pueden ser alcanzados si se agrega un calcinador flash o el horno vertical, de cuba, regenerativo. Sin embargo, esto aumenta a los productores a crear el mercado para la cal viva fina para alcanzar el beneficio o la ventaja. En otro artículo referido a las comparaciones técnicas de hornos de cal, se focalizan sobre la calidad del producto y los distintos tipos de combustibles. 20.2 Calidad del producto: Debido a que en Chile se utilizan principalmente hornos rotatorios, largos y con precalentadores y la cal importada proviene de hornos de cuba o verticales, a mi juicio me parece relevante, por las opiniones que aparecen en el artículo “comparación de hornos de cal” colocar la traducción de él en forma íntegra Por último, en cuanto a este tema es relevante señalar que el análisis referido al material crudo que puede contener la cal, CO2 residual, para las plantas de lechada de cal que se mantienen permanentemente, durante las 24 horas del día, con agitación, en un estanque que tiene su parte superior destapada expuesta al ambiente, comparado con cal que tiene bajo porcentaje de CO 2, significa poco contenido de carbonato de calcio, sin disociar, el cual puede actuar como núcleo para el crecimiento cristalino en la reacción entre el CaO libre de la suspensión de lechada de cal y el CO2 ambiental, que está ejerciendo presión sobre el estanque descubierto donde la agitación lo promueve o cataliza, lo que se podría convertir, junto a la arenilla de la cal nacional, en depositaciones o incrustaciones que afectarían la capacidad útil; la disponibilidad de la planta; mayores costos operacionales; mayores consumos energéticos, etc., en la remoción de arenilla, que son afectados no en forma inmediata sino que en el mediano plazo. Del mismo modo ocurre con el contenido de azufre contenido en la cal utilizada en la zona sur de nuestro país, ya que éste en medio acuoso forma el sulfato (SO 4) el cual es regulado ambientalmente principalmente en las aguas que son devueltas a sus cursos normales, por lo que es una impureza del agua y de la cal que requiere mayor atención. “La calidad del producto obtenido desde varios sistemas de hornos puede variar dependiendo del horno utilizado. Una comparación relativa de las características más importante del producto son: Aspectos de la calidad del producto, basado en un sistema de 500 tpd quemando carbón: 171

Hornos Calcinador Flash Cuba Con Largo regenerativo precalentador <1 < 0,5 < 0,5 < 0,5 CO2 residual (%) 1–2 1–2 4 3 Reactividad 2–3 3 4 1–2 % CaO disponible 3 2 1 4 % de Azufre La reactividad, el porcentaje de CaO libre y el porcentaje de azufre lo han expresado sobre una escala de 1 a 4 (siendo 4 el más alto). La comparación relativa está hecha asumiendo que la misma alimentación es utilizada para los diferentes sistemas e indicando los tamaños de alimentación y el combustible utilizado. a)

Porcentaje residual de CO2: El horno largo y el horno con precalentador son más capaces para producir cal con menor porcentaje de CO2. La principal razón para esto es que ambos sistemas utilizan un horno rotatorio. El horno rotatorio tiene la habilidad de agitar la cama de cal de modo que el material sea impedido de fundirse como cal “quemado duro”. Cuando se compara la capacidad de “quemado duro” del horno largo con el horno con precalentador, el horno largo debe ser considerado como el mejor. Sin embargo, si el sistema de horno con precalentador es diseñado para la capacidad “quemado duro” (aumentando la longitud de horno), el sistema de horno rotatorio con precalentador puede producir la cal quemada dura aproximadamente equivalente al producto del horno largo. La razón el horno con precalentador, diseñado para quemado duro, debe ser más largo, debe bajar la temperatura de entrada al precalentador para prevenir fusiones en éste. El horno de cuba vertical, es capaz de producir un producto relativamente bajo en CO2 residual. Sin embargo, las fusiones pueden ocurrir cuando trata de quemar duro la cal. Con el material de alimentación apropiado y el carbón apropiado, el horno de cuba regenerativo ha sido capaz de producir la cal con CO2 residual de alrededor del 0,5 %. El calcinador flash también es capaz de producir un producto con bajo CO2 residual. Sin embargo, para la cal quemada dura, el riesgo de taponamiento del ciclón del precalentador se hace más evidente. Las pruebas pilotos muestran que hay riesgos de taponamiento del ciclón, lo recomendado podría ser la instalación de una cama fluida después del calcinador flash, la cama fluida serviría como una calcinación final Con este acercamiento, el calcinador Flash es manejado con un producto con una pérdida de calcinación (LOI) aproximadamente entre 3 % a 5 %, y la cama fluida es usada para remover el CO2 remanente. Cuando esto es completado, el calcinador flash puede ser operado a temperaturas menores, entonces el riesgo de taponamiento es reducido.

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Aquí otra vez, con la alimentación y el carbón apropiado, el calcinador flash es por lo general capaz de producir la cal con alrededor del 0,5 % de CO2 residual. Esto ocurre sin el accesorio de cama fluida. b)

Reactividad: El horno largo es capaz de producir cal con alta reactividad. Productores que usan hornos largos y queman carbón han sido capaces de producir cal con reactividad cerca de 50°C (122 °F) en 3 minutos, según la norma ASTM C110, mientras la alimentación es de alta calidad, el combustible tiene un contenido de ceniza relativamente bajo y la fusión de la ceniza es a alta temperatura. Productores con horno con precalentador que quema carbón también han sido capaces de fabricar cal muy reactiva. Sin embargo, la reactividad normalmente fluctúa entre 45 a 50°C (113 a 122 °F) en 3 minutos, según ASTM C-110. El calcinador flash ha sido capaz de producir la cal con una reactividad similar al horno rotatorio largo. Pero como su producto es siempre con un tamaño menor a 6 mallas, la comparación de reactividad no es exacta. El procedimiento ASTM C-110 utiliza cal preparada a menos 6 mallas. Por eso la reactividad de la cal del calcinador flash es valorada ligeramente más abajo que la reactividad del horno largo. La reactividad de la cal del calcinador flash es todavía relativamente alta debido al bajo nivel de temperaturas requerido para el quemado y el corto tiempo de retención. La temperatura controlada del horno flash normalmente es de 1.150 °C (2.100 °F), y la alimentación es sólo sometida a esta temperatura durante unos pocos segundos. A causa de la baja temperaturas y corto tiempo de retención, hay poca oportunidad para que los cristales CaO tiendan a aglomerarse, en consecuencia deja la caliza con su porosidad intacta. El horno de cuba regenerativo que quema carbón produce cal con reactividad usualmente similar a la reactividad del producto generado en horno con precalentador que quema carbón. El horno de cuba regenerativo tiene un interesante modo de operación: como la cal está siendo calcinada, ésta es sometida para abajo a las temperaturas inferiores porque la cal está en el flujo paralelo con los gases de combustión. La caliza fría captura las temperaturas de la llama más calientes, y puesto que en ese punto es sólo el comienzo de la calcinación, la posibilidad de sobre reacciones ardientes y laterales con la ceniza son reducidas al mínimo. El consumo de combustible del carbón quemado en el horno vertical de cuba regenerativo es bastante menor que un horno con precalentador (3,1 Btu/tonelada contra 4,7 Btu/tonelada). A causa de esto, menor ceniza es introducida en el sistema. El producto del horno de cuba regenerativo que quema carbón tendrá una capa de color gris sobre la superficie de la cal similar al producto obtenido en horno con precalentador que quema carbón, y un alto porcentaje de ceniza en

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el producto final. Sin embargo, el área superficial es menor en la cal del horno de cuba regenerativo que la cal obtenida en el horno con precalentador (2x5 pulgadas versus 3/8 x 1 3/4 de pulgadas) Los dos factores se compensan el uno al otro, y el resultado es que la reactividad de los productos producidos en un horno de cuba regenerativo es muy similar a aquellos producidos en un horno con precalentador. c)

Porcentaje de CaO disponible: El horno largo es el mejor a usar en términos de porcentaje de CaO disponible en la cal viva resultante. Más ceniza de carbón e impurezas de la alimentación aparecen en el polvo del filtro de mangas de los hornos largos que cualquier otro tipo de horno, y esto quiere decir que hay más CaO disponible. Los hornos rotatorios tienen la capacidad de autogenerar molienda del color gris, que corresponde a la cubierta de ceniza en la superficie de la cal viva quemada dura, enviándola al filtro de mangas. El horno rotatorio proporciona un cierto producto que mejora la capacidad en cuanto a esto. El horno rotatorio con precalentador que quema carbón también provee algunos productos que mejoran la capacidad, debido al precalentador, las partículas medio a pequeña tienen considerables reacciones laterales con la ceniza del carbón y las impurezas de la caliza alimentada. La pérdida de polvo de un horno con precalentador es usualmente alrededor de la mitad de la pérdida de polvo de un horno largo, entonces más de los finos impuros tienden a ingresar en el producto. Por lo tanto, la cal disponible del producto del horno con precalentador es menor que los productos entre el horno de cuba y el horno largo. El horno vertical o de cuba que quema carbón, proporciona buen CaO disponible en el producto y es por lo general similar al producto de horno de precalentador que usa el mismo combustible. Como se mencionó anteriormente, el horno regenerativo de cuba tiene un porcentaje más alto de la ceniza que ingresa al producto. A causa del menor consumo de combustible y la menor área superficial de la cal, el CaO disponible en el producto a menudo es similar al producto de horno con precalentador que quema carbón. En general, la cal útil es similar al producto del horno con precalentador por muchas de las razones concerniente a la reactividad, la cual se mencionó anteriormente. El calcinador flash produce CaO disponible aproximadamente equivalente con o aún ligeramente menos que lo producido en un horno de cuba o vertical. Por causa de la alta área superficial, hay un grado mayor de reacciones con la ceniza del carbón y cualquier impureza alimentada, aun cuando el nivel de temperaturas y calcinación sean bajos

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Como en el horno de cuba o vertical, la mayor parte de la ceniza tiende a salir con el producto en vez del polvo generado, permite un efecto de dilución que ligeramente reduce el CaO disponible en el producto. d)

Porcentaje de Azufre: El aspecto más importante de la cal viva utilizada para la fabricación de acero es la concentración de azufre. Muchos fabricantes de acero requieren que la cal viva contenga menos de 0,035% de azufre. Esta especificaciones de productos, solamente pueden ser cumplidas o producidas consistentemente por el horno rotatorio largo aunque utilice combustibles relativamente altos en azufre. Los hornos con precalentadores y los verticales de cuba pueden producir cal metalúrgica, pero usualmente el producto debe ser harneado o separado cuando se requiere quemar combustibles altos en azufre. El abastecimiento de azufre desde el combustible recolectado por la cal es principalmente un fenómeno de superficie, tan grande como el azufre alimentado será volatilizado antes, evitando la conversión de la particula a sulfato de calcio (CaSO4). Por suerte, la mayor parte del azufre alimentado en muchas calizas se volatiliza. Ya que la mayor parte de recolección de azufre está sobre la superficie de la cal, aquellos hornos que permiten combustión más alta, como combustible el gas, el área de contacto superficial de la cal son también los únicos que producen un producto con alto azufre, es decir, el horno de cuba vertical y el calcinador flash. Note que el azufre en el producto para cada tipo de sistema, dependerá: nivel de azufre alimentado, volatilidad del azufre alimentado, tamaño de la caliza de alimentación, azufre en el combustible y el consumo de combustible. Tabla 1 muestra solamente un particular juego de condiciones para cada horno. El gráfico 17, muestra la concentración aproximada de azufre en la cal producida por varios sistemas sin harneo o separación del producto. Esta gráfica fue desarrollada asumiendo que fueron catalogados los sobre tamaños de alimentación y una concentración de azufre alimentada de 0,028%. El poder calorífico del combustible fue asumido en 13.000 Btu/libra.

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Gráfico 17: Contenido de azufre en el producto vs tipo de horno y consumo de combustible

Hornos con precalentadores y hornos de cubas o verticales, pueden producir cal para uso o aplicación metalúrgica si: el azufre alimentado es bajo, la volatilidad del azufre es alto, el tamaño de alimentación es grande, el consumo de combustible es bueno, y el azufre del combustible es relativamente bajo. Por ejemplo, un horno con precalentador utilizando una caliza con 0,028% de azufre, combustible con azufre de 1%, y alimentación de 1x3 pulgadas, puede usualmente producir una cal con alrededor de 0,035% de azufre.” Queda claro que en nuestro país, la cal que presenta la mejor calidad físico química para el uso que se le otorga en la minería es la cal que se produce independientemente del tipo de horno. Siguiendo con el artículo de la comparación de hornos de cal, los autores no dejaron variable sin considerar y por ello también entregan sus opiniones según el combustible utilizado en los 4 hornos analizados, para ayudar a alcanzar la mejor elección. 20.3. Tipo de combustible. Hoy en día, una variedad de combustibles son utilizados en todas partes en la industria de la cal y algunas pruebas han sido hechas utilizando varios materiales de desechos. Para simplicidad, la revisión concentraría los combustibles más ampliamente utilizados, tales como: gas natural, aceites pesados y livianos, y/o carbón o coke pulverizado. Mientras cada uno de los cuatro sistemas de horno son capaz de quemar cualquiera de estos combustibles, ciertas características de combustible deberían ser tenidas en cuenta para cada uso.

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Gas Natural: El quemado de gas natural es relativamente limpio con calidades constantes e impurezas bajas. Este se quema bien en cualquier operación de horno. La cal producida con gas natural tiene una apariencia más blanca, la reactividad y el CaO disponible son superiores que la producida por cualquier otro combustible. De tener la opción, el gas natural es por lo general la fuente preferible de combustible. Sin embargo, el precio de compra por millón de Btu es típicamente mucho más alto que él de carbón disponible, y el consumo de combustible de horno es aproximadamente 10 % más con el gas natural comparado al carbón. El quemado de gas natural también requiere una capacidad de abertura de escape más grande que los sistemas de encendidos de la misma capacidad para el carbón o el aceite debido a la exigencia mayor de aire de combustión del gas y el consumo más alto de combustible. Sobre un sistema de abertura de escape limitada, el quemado del gas resultará menos capacidad de producto que el quemado de carbón. Cuando se considera un interruptor de combustible para el gas natural desde el carbón, siempre habría que considerar los gastos de operación. En la mayoría de los casos, el quemado de gas natural se hace económicamente factible si el precio del gas natural llega a ser entre, aproximadamente, 25 centavos por Btu/ton del precio de carbón disponible. Pesando la viabilidad de usar el gas natural en una nueva instalación, uno también debe añadir el costo para amortizar la deuda asociada con un sistema de molienda de carbón. En este caso, el precio de gas natural sólo puede ser entre 40 a 50 centavos por btu/ton. Antes de la decisión del combustible a utilizar, pagaría ponerse en contacto con algunos proveedores de gas natural. En algunas áreas, es posible obtener contratos de gas natural de largo plazo con reducciones considerables de precios.

Carbón: Las calidades del carbón pueden variar drásticamente de locación en locación. Cuando contempla carbón como el principal recurso de combustible, el contenido de ceniza, la composición y el punto de fluido de fusión debe ser considerado. Para una operación aceptable de un horno a carbón el contenido de ceniza no puede exceder el 10%. El punto de fluido de fusión de la ceniza siempre debería ser tan alto como sea posible, con una guía mínima de 1,260 °C (2.300 °F) bajo condiciones reductoras. Si económicamente requiere que el contenido de ceniza exceda el 10 % entonces la temperatura minima para el fluido de fusión de ceniza debería ser aumentada. En general, para el más bajo punto de la temperatura del fluido de fusión de ceniza, debería considerarse el más bajo contenido de ésta.

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En todos los tipos de hornos, un porcentaje de ceniza está presente en el carbón y será llevado al producto de cal. El sistema de horno largo tendrá la menor parte de cantidad de ceniza en el producto. Esto es debido a la molienda autógena de la capa que cubre la cal gruesa y los finos generados se transportan al filtro de mangas. En los hornos verticales de cubas, el contacto intimo entre el carbón, la caliza y la poca pérdida de finos causados más por la ceniza del carbón transferida al producto. Ya que el horno con precalentador es esencialmente una mezcla del horno largo rotatorio y los sistemas de horno de cuba, es lógico que la ceniza retenida en el producto descienda entre estos dos sistemas. Los finos del calcinador flash también transferirán casi toda la ceniza del carbón al producto. Esto, porque la mayoría de los tamaños de partícula de la ceniza del carbón está dentro de las capacidades de separación de los ciclones sobre el calcinador flash y la gran cantidad de área superficial de la alimentación que puede capturar la ceniza. Para los hornos de cuba regenerativos, el índice de elevación libre de carbón también debe ser considerado. El índice de elevación libre (FSI de la sigla en inglés Free Swell Index) es una medida del carbón es su tendencia de expandirse cuando es quemado o gasificado. Pueden esperarse carbones con un FSI mayor que 3 para causar dificultades en los quemadores y en la cama de material de un horno de cuba. El gran número de quemadores en un horno de cuba regenerativo (aproximadamente 24 lanzas por cuba para una unidad 500 tpd) traduce a un diámetro de quemadores mucho más pequeño que otros sistemas de horno. Si el carbón tiende a hincharse durante la combustión, los quemadores se pueden tapar, resultando una combustión desigual a través del corte transversal de la cuba y reducida calidad del producto, y los quemadores tarde o temprano serán eventualmente consumidos. c)

Coque: El coque es el material sólido remanente después de la carbonización de carbón, residuos de petróleo, y otros materiales de carbón. Mientras la materia volátil es inferior que el carbón directo, enormemente reducen el contenido de ceniza. En sistemas de horno donde la formación de anillos de ceniza es un problema, utilizando una mezcla de carbón/coque puede reducir enormemente este crecimiento. El coque de petróleo normalmente tiene aproximadamente el 10 % volátiles y los volátiles del carbón por lo general varían del 30 a 45 %. Para la formación de llama estable en un horno rotatorio, no habría que reducir el combustible sólido, volátiles totales por debajo del 20 %. Esto quiere decir que el porcentaje de coque de petróleo usado en un horno rotatorio no debería exceder el 50 % si el coque tiene 10 % y el carbón 30 % volátiles. El horno de cuba regenerativo, por otra parte, puede quemar el 100 % del coque porque la estabilidad de la llama no es importante. 178

Aceites combustibles (Fuel Oils): Los aceites combustibles, comúnmente no son utilizados como una fuente primaria de combustible en los Estados Unidos o Canadá. El precio de compra por millón de Btu de fuel oils por lo general es más alto que el carbón o el gas natural. Sin embargo, el aceite es usado en la combinación con otros combustibles, sobre todo con carbón. La ventaja principal del fuel consiste en que contiene poco ceniza. Esto quiere decir que no habrá problemas algunos con los anillos de ceniza, y la calidad de producto será mejorada con el aspecto de la cal, p. ej., no habrá ninguna capa de ceniza que cubra la cal. Fuel N° 2, comúnmente es usado como un combustible de partida o puesta en marcha. Ya que esto es un fuel ligero, hay poco equipo auxiliar que requerirá otro depósito de combustible, la bomba, y la tubería. Cuando el aceite Fuel N° 6 es usado, requieren un sistema de calefacción del aceite para el almacenaje en el o los estanque(s) y la unidad de transferencia, la cual será añadida al costo.

Azufre en el combustible: En áreas donde las emisiones de azufre son un problema, o mercados donde el azufre en el producto es una preocupación, el contenido de azufre del combustible debe ser considerado. Mientras la mayor parte de gas natural no contiene ningún azufre, algún gas natural puede contener pequeñas cantidades de sulfuro hidrogeno y/o azufre. Estas provisiones son purificadas por el proveedor de gas para quitar la mayor parte de estas impurezas, y el nivel de azufre rara vez excede 0,02 g/m 3. En general, desde una emisión y calidad de producto el punto de vista del gas natural plantea la menor parte de riesgo. El fuel número 2 típicamente contiene el azufre menor que 0,01 %. Además, el fuel número 6 bajo azufre contiene aproximadamente el 0,04% de azufre. Para estos combustibles, el contenido de azufre no plantea un problema operacional. El aceite número 6 alto en azufre consiste en aproximadamente un 4 % del azufre. Los problemas potenciales de emisiones de azufre podrían ocurrir con el aceite número 6, especialmente si es usado un horno largo, porque el horno largo emite los más altos porcentajes de azufre de los combustibles de todos los hornos. Carbones de los Estados Unidos pueden variar de tan poco como el 0,2 % a tanto como el 7 %. Todavía permitirán a la mayor parte de productores que planifican construir una nueva planta para quemar combustible de carbón con azufre de aproximadamente el 2 %. El límite real superior variará dependiendo del tipo, el tamaño, y la posición de la planta. Como se ha mencionado antes, el horno largo todavía planteará el mayor riesgo de emisiones.

179

En un horno largo rotatorio, la mayor cantidad del azufre del combustible sale en la corriente de gas de escape, con un muy pequeño porcentaje capturado por si mismo por la cal. Para mercados como la industria siderúrgica, este sistema que utiliza combustible alto en azufre, puede ser la única alternativa cuando es requerido para producir un producto bajo en azufre. Para la mayor parte de otros mercados, donde niveles de azufre de cal más altos son aceptables, un horno con precalentador o un horno vertical de cuba o el calcinador flash reducirán los niveles de emisiones de azufre del gas de escape ya que el azufre del combustible es parcialmente capturado en el producto. En la ultima parte del estudio “comparaciones de hornos de cal”, plantean su opinión sobre los costos de capital y de operación. Así como características de emisión además, los autores proporcionan sus pensamientos y conclusión en la comparación de hornos de cal. Utilizar tiempo para determinar el tipo apropiado de horno de cal para una operación no merece esfuerzo si no hay fondos para hacer la compra, o guardar el horno para que funcione unos años después. 20.4. Costos de capital. La tabla costo de capital, muestra que la inversión de capital requerida para una planta de calcinación de cal instalada variará dependiendo del sistema seleccionado. El sistema de horno con precalentador que quema carbón es actualmente considerado el sistema más común y, por lo tanto, ha sido asignado como caso base de 100. Otros sistemas muestran sus costos en relación a este factor.

113

HORNOS Con precalentador 92

Cuba o Vertical 77

125

100

Largo Quemando gas o aceite Quemando carbón directo

Calcinador Flash 93 103

Tabla 26: costo de capital para distintos tipos de horno y combustible.

El sistema de horno largo es el más caro, principalmente debido a los extensos trabajos de fundación que requiere y los costos de los componentes de refractarios y metálicos del horno. El horno largo considerado para esta comparación (como el mostrado en la figura 34) incluye 60 pies de largo, seis cámaras cruzadas internas intercambiadores de calor de HK y moldes o lanzas con materiales de aleación HH.

180

Figura 34: horno largo para producir cal.

A no ser que la operación de horno esté en una planta de cogeneración, donde las altas temperaturas de los gases de escape puedan ser utilizados, es poco práctico pensar en instalar un nuevo horno largo sin algún tipo de dispositivo interno de transferencia térmica. El sistema de horno con precalentador y el calcinador flash, aunque muy diferente desde un punto de vista de equipo, son aproximadamente igual en exigencias de capital. Si la selección del tipo de planta está entre estas dos opciones, el costo de inversión tendrá poca influencia sobre el proceso de toma de decisiones. Otras consideraciones, tales como gastos de operación y exigencias en el tamaño de alimentación entrarían en el juego. El sistema más económico desde un punto de vista de costo de inversión es el horno de cuba regenerativo quemando gas o aceite. Ya que el consumo de combustible es tan bajo, el volumen de gas de salida también es bajo, -aproximadamente la mitad comparado con un sistema de horno con precalentador- por consiguiente, el colector de polvo requerido y el ventilador de tiro son mucho más pequeños que aquellos que cualquier otro sistema de horno de la misma capacidad. El costo aumentado para el quemado de carbón, en vez de gas o el aceite, es básicamente el mismo para todos los sistemas, excluyendo el horno de cuba, o el calcinador flash. Para el horno largo, el horno con precalentador o el calcinador flash, el equipo adicional requerido para el quemado directo del carbón es esencialmente el mismo: almacenaje carbón crudo, alimentador, molino de carbón, clasificador, ventilador, quemador, conductos, y el acero estructural. El quemado indirecto es requerido para el horno de cuba regenerativo, debido a los múltiples quemadores localizados en las secciones transversales que cruza la cuba y aún la necesidad de la distribución de combustible en estas lanzas de quemadores. Esto resulta en una configuración de quemado más compleja y más equipamiento, por consiguiente aumenta los gastos iniciales de equipo y su instalación. Este aumento del costo para el equipo que enciende el carbón saca del balance los ahorros alcanzados con el sistema de gases de escape del horno de cuba. Así, el costo de capital es muy cercano entre un horno de cuba y un horno con precalentador que queman carbón. Otra vez, los ítems tales como gastos de operación y exigencias de tamaño de alimentación se hacen mucho más importantes. 181

20.5. Costos operacionales. Los costos operacionales más significativos descomponerse en cinco mayores áreas: a) b) c) d) e)

calcinación

pueden

Combustible Energía eléctrica Mano de obra Mantención Materia prima

La tabla consumo de energía eléctrica proporciona una idea aproximada del consumo relativo de ésta en los diferentes sistemas de calcinación. Esta tabla sólo trata con el calcinador en sí mismo, desde el punto de alimentación hasta la descarga del producto, más el sistema de molienda de carbón, pero excluye otros equipos auxiliares. Tabla Consumo de combustible y energía eléctrica (basado en un horno de 500 tpd que quema carbón) Hornos Con Cuba o Vertical Precalentador Combustible 3,0-3,2 4,7-4,8 (Btu/t) Energía 35-40 33-38 (kWhr/t)* * Excluye equipamiento auxiliar.

Largo

Calcinador Flash

6,4-7,0

4,2-4,5

23-27

30-35

Tabla 27: consumo de energético en distintos hornos

Consumo de combustible: el horno de cuba regenerativo tiene el consumo más bajo de combustible de todos los calcinadores, esto porque ofrece la temperatura de salida de gas de desecho más baja y la menor pérdida de radiación La temperatura del gas de desecho en un horno de cuba regenerativo, normalmente fluctúa en un rango de 170 a 200°F. Las temperaturas del casco de uno de los regenerativos variaría desde cerca de 300 °F (en la zona de quemado) a menos de 200°F (en la punta de descarga del horno). Esto debe ser lo esperado, ya que el sistema de refractario de un horno de cuba regenerativo varía desde 18 a 24 pulgadas de espesor.

Consumo de electricidad: el horno rotatorio largo entrega el consumo más bajo de electricidad, porque la caída de presión de su sistema es la más baja. La única resistencia principal al flujo de gas sobre un sistema de horno largo es el colector de polvo. Por consiguiente, el ventilador de tiro inducido, I.D., en un horno largo por lo general es diseñado para trabajar comparado contra el indicador del nivel de agua aproximadamente sólo 15 pulgadas (INWG) la presión estática. La tabla “Costos operacionales por interrupción de electricidad” muestra un costo de operación referido a una interrupción para varios sistemas. Todas las 182

interrupciones son en relación con los gastos operacionales de horno largo e incluyen el sistema de quemado de carbón, pero excluyen otros equipos auxiliares. Tabla: Costos operacionales por interrupción de electricidad Base Porcentaje, basado en un horno de 500 tpd que quema carbón Hornos Calcinador Cuba o Con Largo Flash Vertical Precalentador % Combustible 37 52 68 50 Energía eléctrica 3,3 3,1 2,2 2,8 Mano de obra 2,6 3,4 3,4 3,4 Mantención 1,4 2,0 2,5 1,4 Materias primas 23,6 23,6 23,6 23,6 Total 67,9 84,2 100 81,2 Tabla 28: costos asociados al corte de energía eléctrica

Mano de obra: el porcentaje de mano de obra indicado en la tabla “Costos operaciones por interrupción de electricidad” pertenecen a todo los trabajadores de operaciones, incluyendo lo requerido para sostener la operación continua. La mayor parte de hornos requerirán a un operador y un ayudante sobre todos en los cambios de turnos, así como el personal de mantenimiento como necesario. El horno de cuba regenerativo también debería tener un ayudante asignado a cada cambio de turno, pero algunas plantas ha sobrevivido sin él. Una razón de esto es que el sistema puede ser altamente automatizado y no requiere para su atención de un operador. Esto permite que el operador desarrolle los deberes de un ayudante durante el cambio. Otra razón de esto es que el tiempo de retención en el horno de cuba es aproximadamente 24 horas. A causa de esto, los cambios de turnos de operación por lo general son realizados una vez cada día o, en la mayoría, una vez por turno.

Mantenimiento: el porcentaje del costo de mantenimiento indicado en la tabla “Costos operaciones por interrupción de electricidad” pertenece al equipamiento y mano de obra requerida para mantener el horno en buena condición de funcionamiento. Esto incluye los gastos asociados a toda la maquinaria y refractarios. Los costos de mantenimiento más altos están asociados al horno largo, porque éste tiene la mayor parte de piezas móviles. El horno largo no puede tener menos de cinco apoyos, mientras que el horno con precalentador sólo tiene dos. Debido a esto, el horno largo tiene un costo muy superior relacionado con el uso de las llantas y cilindros. Los hornos largos, también tienen más refractario

183

que un horno con precalentador por lo que exige mantenimiento a más refractario. Tanto el horno de cuba como el calcinador flash tienen una cantidad grande de refractarios, pero como ellos no giran la velocidad de uso refractaria es menor que los otros tipos de horno. Por ejemplo, el refractario de la zona de calcinación en un horno largo o un horno con precalentador se debe modificar desde una vez por año a una vez cada tres años. No obstante, el refractario de la zona de calcinación del horno de cuba o vertical, usualmente durará más de cinco años, con algunos más durables con no menos de 10 años. El calcinador flash también tiene una vida más larga de refractarios que un horno rotatorio. La zona refractaria del horno durará tanto como cinco años con la mayoría de los refractarios de los ciclones que durarán más de 10 años. En términos de mantenimiento de la maquinaria, el horno de cuba y el calcinador flash tienen muy bajo costo de mantención, la causa de esto es que sus partes móviles son las válvulas o compuertas y los alimentadores de caliza. e)

Materias Primas: la tabla “Costos operaciones por interrupción de electricidad” muestra el mismo costeo para todas las materias primas; esto es algo engañoso. Es difícil el asignar gastos relativos a materia prima para varios sistemas, porque cada uno tiene exigencias de tamaño de alimentación de materia prima intrínsecas. El horno de cuba o vertical, teóricamente requeriría la menor parte de cantidad de chancado, porque el tamaño de alimentación requerido es más grande que los otros hornos. Para maximizar la utilización de cantera cuando se usan hornos de cuba o vertical, un número de diferentes tamaños de materiales deberían estar preparados y manejados, los que tiende a aumentar los costos de las materias primas. Sin embargo, el horno vertical de cuba, tiene la pérdida de polvo más baja (entre el 1 a 2 % del total producido), esto quiere decir que requieren menos caliza de alimentación para una tonelada de cal. Por consiguiente, la preparación y el manejo de material adicionado en algo compensan los costos. El calcinador flash, podría requerir mas chancado, la caliza debe estar preparada a un tamaño menor a 10 mallas. Siendo realistas, el calcinador flash no competiría con otros sistemas a no ser que hubiera algunos desechos de calizas bajo tamaño en la planta. Si es así, el costo de materia prima para el calcinador flash sería el más bajo, ya que la materia prima está disponible. Debido a varios factores complicados para cuantificar el costo de la materia prima para cada sistema, con el propósito de esta comparación se fijaron los mismos precios para la caliza en todos los sistemas.

184

Emisiones: Cualquier fabricante de cal que recientemente ha construido un horno de cal o está en el proceso de permiso ambiental para un horno de cal, tiene que pensar que las reglas que lo permiten han cambiado dramáticamente en los pocos años pasados. Los estudios y permisos que solían tomar unos tres meses, ahora toma un año o más. Los compuestos de mayor de interés para los productores de cal, serán SOx, NOx; CO, y material particulado. El monóxido de carbono por lo general puede ser prevenido quemándose con un leve exceso de oxígeno; el material particulado es más fácil de controlar, seleccionando el colector de polvo correcto y tela apropiada para las mangas. A veces hay un mal actor que puede causar un problema severo en el control de monóxido de carbono, esto es el carbón orgánico volátil (VOC, sigla de su nombre en inglés). Si cualquier empresa alguna vez ha experimentado " una neblina azul" en la emisión de su chimenea, la empresa lo más probablemente esta experimentando una emisión de VOC. El VOC es por un quemado parcial o por compuestos volátiles no quemados o inquemados en la caliza de alimentación. Las emisiones de VOC ocurren porque los compuestos se volatilizan en una temperatura por debajo de su temperatura de combustión, por lo tanto nunca alcanzan una temperatura bastante alta para quemarse. La mejor manera para controlar estos fenómenos es identificar la causa del VOC en la caliza de alimentación cargada en la cantera y evitarlo. De otra manera, requerirán que un dispositivo postcombustión queme los compuestos, y esto puede ser sumamente caro. Por suerte, sólo unas plantas han experimentado los altos niveles de emisiones VOC Las plantas de cal más nuevas tendrán que cumplir principalmente con SO X, NOX, y emisiones particuladas. Lo listado en la tabla “Emisiones” son algunos valores relativos sobre las tasas de emisión de los compuestos desde varios sistemas de horno. Los valores indicados en tabla “Emisiones” son aproximados antes de que la tela quite el polvo sobre el colector. Por lo tanto, no son los valores de emisión final de la chimenea.

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Tabla: Emisiones, basado sobre hornos de 500 tpd y que queman carbón Hornos Antes del Calcinador Con De cuba Largo colector de Flash precalentador polvo SOx 0,20 0,30 0,50 0,15 NOx 0,80 1,20 1,70 0,80 Polvo 25 54 110 110 Tamaño caliza 2x5 pulgadas 1 3/4 x 3/8 1 ½ x ½ Bajo 200 alimentación pulgadas pulgadas mallas Basado sobre carbón con 13.000 Btu y 1% de Azufre. Alimentación 0,028% azufre

Tabla: 29: Emisiones en los distintos hornos que producen cal.

Emisiones de material particulado desde colectores del polvo del filtro de tela o mangas, por lo general pueden mantener a 0,02 gramos/ pies cúbicos reales (de 0,028 libras/100,000 pies cúbicos reales) o menos. Basado sobre prueba reciente en terreno de emisiones de horno de cal antes y después de los colectores de polvo, hay evidencias que la tela o manga en el colector puede quitar entre el 30 % al 50 % de lo que ingresa de SOx. Como el número de pruebas consideradas es limitado, todavía es demasiado temprano decir la cantidad removida que sería esperada de azufre y que factor puede ser usado para controlar la emisión SOx que las la tela quitan en el polvo desde los colectores. Como para remover NOx con la tela que quitan el polvo en los colectores, todavía no hay pruebas que muestre que la remoción de cualquier NOx ocurre. El método más económico de controlar NOx es: primero hacer el horno tan eficiente como posible. Menos combustible quemado, más bajo es el nivel de NOx. El siguiente paso que puede ser tomado es instalar un "quemador de bajo NOx" Mientras fabricantes de quemadores los denominan "Bajo NOx," una considerable cantidad de NOX es formada. La mayor parte de fabricantes de "quemadores de bajo NOx" declaran que su dispositivo reducirá emisiones de NOx por cerca del 30 %, comparado a un quemador estándar de carbón o de carbón/gas, y algún derecho tienen por haber reducido NOX en el 40 % al 50 % con sus quemadores. Un problema asociado con “quemadores bajo NOx” es que el dispositivo es un quemador de bajo aire primario, lo cual quiere decir que no puede ser instalado sobre un circuito de quemado directo del carbón. Requieren de alguna forma de quemado indirecto o semi directo. El modo más económico de realizar la tarea es instalar un ciclón y un ventilador después del ventilador de salida de carbón, como lo muestra el sistema en la figura siguiente:

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. Figura 35: Sistema de quemado semidirecto de combustible

Un alimentador rotatorio es localizado en la descarga de ciclón. Con este sistema, la proporción de-carbón-a-aire es aumentado en el carbón annulus para afectar la exigencia de bajo aire primario. El aire semi limpio del ciclón puede ser reintroducido nuevamente en anillo de aire formado o puede ser directamente soplado al horno por medio de un tubo separado. El resumen lo que plantean los autores en su trabajo de “comparación de hornos” son: Cuando un productor de cal decide ampliar las capacidades de producción o instalar una planta en otro sector, se debe hacer un número de comparaciones para seleccionar el mejor tipo de sistema de calcinación para sus necesidades. El artículo no ha considerado que el material o caliza de alimentación debe ser primero analizado por sus características físico-química, su capacidad de calcinación, la calidad probable del producto, etc. El análisis de la caliza de alimentación señala el potencial problema que podría ocurrir en la operación de calcinación. Por ejemplo, una caliza que tiende a decrepitar en la calcinación tendría el uso cuestionable en un horno con precalentador o en un horno de cuba o vertical. Sin embargo, puede ser absolutamente aceptable calcinar este material en un horno largo o un calcinador flash. Los resultados de análisis de material para alimentación a menudo excluyen las reglas de ciertos tipos de hornos, por lo tanto muchas comparaciones indicadas son discutibles. Una vez que ha sido determinado que material es la caliza buena en términos de todas las características físicas y químicas, entonces es importante que el tamaño de alimentación, la utilización de cantera, la calidad del producto, tipos de combustible, costos de inversión, gastos de explotación, y los niveles de emisión, todos sean repasados a fondo antes de que el tipo de horno sea seleccionado.

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21.

BIBLIOGRAFÍA. 1. 1993 Comparing Lime Kilns; Daniel Sauers, Neal Biege Sr. Y Diana Smith 2. 2004 Eula Facts Sheet – December 2004 3. 2004 Lime Kiln Dust as a Potential Raw Material in Portland Cement Manufacturing By M. Michael Miller and Robert M. Callaghan 4. 2006 Maerz News September 5. 2007 Lime, U.S. Geological Survey Minerals Yearbook 6. 2007 http://www.mineriaecuador.com/Download/estadistica_minera_200 7.xls 7. 2008 Environmental report, NordKalk 8. 2008 Lime, U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 9. 2008 La Cal: ¡es un reactivo químico!. Guillermo Coloma Alvarez 10. 2009 Lime, Prepared by M. Michael Miller U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 11. 2009 http://www.ambiente.gov.ec/userfiles/552/file/DICIEMBRE 2009/EIA Exp Henry Freij%C3%B3 Pdf1.pdf 12. 2009 http://www.naturkalk.de/24.html 13. 2010 http://eula.rapportcreative.co.uk/ 14. 2010 www.scifun.org 15. 2010 http://www.gueteschutz.de/ 16. 2011 Chemical Facts Pertaining to Environmental Uses for Lime by Clifford J. Lewis 17. 2011 Kalk Kompendium Bundesverband der Deutschen Kalkindustrie e.V. 18. 2011 Lime, Doug Panagapko The author is with the Minerals and Metals Sector, Natural Resources Canada. 19. 2011 Închiderii Şi Ecologizarii A Celor 462 Obiective Miniere (Mine Şi Cariere) Aprobate Prin Hotarâre De Guvern, Rumania 20. 2011 http://www.madeinchina.com/companysearch.do?subaction=hunt&style=b&mode=a nd&code=0&comProvince=nolimit&order=0&word=lim 21. 2011 http://cop8.basel.int/centers/proj_activ/tctf_projects/019.pdf 22. 2011 http://www.ambiente.gov.ec/userfiles/46/file/Informe Final.pdf 23. 2011 http://www.calmosacorp.com/empresa.htm 24. 2011 http://www.cagema.net/web/index.html 25. 2011 http://www.mineriaecuador.com/Catastro/viewer.htm 26. 2011 http://www.carmeusena.com/page.asp?id=68&langue=EN 27. 2012 http://www.votorantim.com.br/emus/negocios/cimentos/Pages/cime ntos.aspx 28. 2012 http://www.lhoist.com.br/htms_pt/default.htm 29. 2012 http://www.internationallime.org/ 30. 2012 http://www.lime.org/index/ 31. 2012 http://www.ima-eu.org/ 32. 2012 www.kalk.de 33. 2012 http://www.anfacal.org/qsomos_ns.htm 188

34. 2012 35. 2012 36. 2012 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49.

2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2014 2014 2014 2014 2014 2014

50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60.

2014 2014 2015 2015 2015 2015 2015 2015 2015 2015 2015

61. 2015 62. 2015 63. 2015 64. 2015 65. 66. 67. 68.

2015 2015 2015 2015

www.ikm-koeln.net http://mmsd.mms.nrcan.gc.ca/stat-stat/prod-prod/ann-ann-eng.aspx http://mmsd.mms.nrcan.gc.ca/stat-stat/prod-prod/PCLMPPMC/PDF/11mtly08.pdf http://www.kalk.de/186.html?&cHash=ee8a4f19de&member_uid=43 http://www.kalk.de/149.html http://www.limetexas.org/ http://www.kalk.de/10.html Asociación Nacional de fabricantes de cal de Ciudad de México http://www.jplime.com/ http://www.minerapanama.com/ourProject.php?ID=8 http://www.nordkalk.com/default.asp?viewID=3 http://www.ccir.ro/ http://www.svvapno.cz/www%20AJ/MENU%20AJ.HTM http://www.canadianlimeinstitute.ca/ http://www.nrcan.gc.ca/RedirNotifs-ss/mms-smm.htm http://www.simco.gov.co/simco/Estadísticas/Producción/tabid/121/D efault.aspx http://www.iimp.org.pe/website2/ http://www.businessmonitor.com/ http://www.quallical.com.br/ http://www.fillercal.com.br/ http://www.carbomil.com.br/ http://www.aglime.org.uk/ http://www.wapno-info.pl/en/ http://www.kalkforeningen.se/ http://www.britishlime.org/ http://www.cisstat.com/eng/macro0.htm http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lime/index.html# contacts The Lime Industry in Australia - An Overview Michael Pearson http://www.zmiportec.com/ http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lime/mcs-2011lime.pdf http://www.cme.org.ec/portal/index.php?Itemid=10&id=2&option=com_c ontent&task=view http://www.minercal.com.br/ http://www.finacal.com.br/ http://caltrevobrasil.com.br/ http://horical.com.br/

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