Departamento de Ingeniería Química Título: Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio de la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono. Autor: Lisbeth Concepción Maure Tutor: Dr.C José Anonio FabeloFalcón MS.c Javier Alejandro Feijoó Caraballo , julio, Año 2020 Chemical Engineering Department Title: Evaluation of the operational parameters of the rotary kiln of the Expermental Plant for the production of low carbon cement. Author: Lisbeth Concepción Maure Thesis Director: Dr.C José Anonio FabeloFalcón MS.c Javier Alejandro Feijoó Caraballo , july, Year 2020 Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos: +53 01 42281503-1419. Desde el amanecer de la civilización, la gente ha anhelado la comprensión fundamental del orden del mundo. ¿Y qué es más especial que el hecho de que no haya límites? Y no debe haber límites para el ser humano. No importa lo difícil que pueda parecer la vida, siempre hay algo que puedes hacer y tener éxito. Stephen Hawking. DEDICATORIA A mi hermana, quien ha sido la guía y el camino para llegar a este punto de mi carrera, que con su ejemplo, dedicación y palabras de aliento nunca bajó los brazos para que yo tampoco lo hiciera. A mis padres por hacer de mi la persona que soy hoy, por estar a mi lado en cada momento y porque no importa el rumbo de la vida siempre van a ser para mí lo más importante. A Mami Oni por creer en mí y apoyarme incondicionalmente. A Dios por darme la oportunidad de cumplir este sueño. AGRADECIMIENTOS A lo largo de la historia de la humanidad no ha existido una obra que se haya podido desarrollar sin la colaboración y el aliento de muchas personas. Probablemente usted se encontraba entre las que de una forma u otra me han ayudado a concluir este proyecto, pero en estos momentos me siento incapaz de personalizar, prefiero la crítica por no hacerlo, que el disgusto que me causaría percatarme luego de una omisión involuntaria. Por eso quiero agradecer de forma general a todos aquellos que hicieron posible la realización de esta investigación, en especial a mis familiares, mi novio, amigos, compañeros de aula, tutores, profesores de la UCLV, y a los trabajadores de la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono. A todos, mi infinito agradecimiento. RESUMEN RESUMEN La Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono (LC3), ubicada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, es una instalación semi-industrial que tiene como misión llevar a cabo diferentes estudios a escala industrial relacionados con el desarrollo de nuevos materiales de construcción. La obtención de este nuevo tipo de conglomerante a partir de un sistema ternario de clínquer - arcilla calcinada - caliza ha sido el eje central de las investigaciones precedentes. Sin embargo, aún no existe una tecnología fehacientemente estudiada que permita obtener arcillas calcinadas a escala industrial de forma óptima. De ahí la importancia de establecer los parámetros operacionales del horno rotatorio, de modo que su interacción resulte en la obtención de adecuados materiales reactivos para la sustitución del clínquer. La presente tesis tiene como objetivo evaluar el proceso térmico de calcinación de arcilla en el horno rotatorio de la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono, analizando las distintas variables operacionales de este. Como resultado se obtuvo a partir de los flujos de alimentación actuales y el diseño de los equipos, las variables operacionales, los perfiles de temperaturas externo, interno y del material y los gases de combustión a lo largo del horno rotatorio, así como el movimiento del material dentro de este. Además, se realiza la evaluación de los modelos en condiciones de operación, validando los balances de masa y energía en el software MATLAB. También es calculada la conversión media de las partículas de arcilla caolinítica según su granulometría a partir del modelo del núcleo sin reaccionar. Finalmente, se muestran los análisis experimentales para evaluar el nivel de calcinación y reactividad puzolánica de la arcilla calcinada. ABSTRACT ABSTRAC The Experimental Plant for the production of low carbon cement (LC3), located at the Central University “Marta Abreu” of Las Villas, is an industrial facility whose mission is to carry out different industrial –scale studies related to development of new construction materials. Obtaining this new type of material from a ternary system of clinker – calcined clay – limestone has been the central axis of the previous investigations. However, there is still no well – studied technology that allows obtaining calcined clays on an industrial scale in an optimal way. Hence the importance of establishing the operational parameters of the rotary kiln, so that their interaction results in obtaining suitable reactive materials for the replacement of clinker. The objective of this thesis is to evaluate the thermal process of calcination of clay in the rotary kiln of the Experimental Plant for the production of low carbon cement, analyzing its different operational variables. As a result, it was obtained from the current power flows and the design of the equipment, the operational variables, the external, internal and material temperature profiles and the combustion gases throughout the rotary kiln, as well as the movement of the material within it. In addition, the evaluation of the models under operating conditions is performed, validating the mass and energy balances in the MATLAB software. The average conversion of kaolinitic clay particles according to their particle size is also calculated from the unreacted core model. Finally, the experimental analyzes are shown to evaluate the level of calcination and pozzolanic reactivity of the calcined clay. ÍNDICE ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 1 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL DE LA INVESTIGACIÓN ..................................... 5 1.1. Situación actual de la industria cementera a nivel mundial .................................................................... 5 1.1.1. Situación actual de la producción de cemento en Cuba. Perspectivas ........................................ 7 1.2. La reducción del factor clínquer. Materiales cementicios suplementarios ............................................. 9 1.2.1. Definición y clasificación de las puzolanas ............................................................................... 10 1.3. Arcillas calcinadas como material cementicio suplementario .............................................................. 11 1.3.1. Arcillas caoliníticas: metacaolín ................................................................................................ 12 1.3.2. Activación térmica de la arcilla ................................................................................................. 14 1.3.3. Reacción puzolánica .................................................................................................................. 15 1.4. Cemento de bajo carbono LC3 ............................................................................................................. 17 1.4.1. Propiedades y aplicaciones del LC3 .......................................................................................... 17 1.5. Horno rotatorio ..................................................................................................................................... 18 1.5.1. Características de los hornos rotatorios ..................................................................................... 18 1.5.2. Métodos experimentales para determinar el tiempo de residencia en un horno rotatorio ......... 21 1.5.3. Movimiento de sólidos en el interior del horno rotatorio .......................................................... 23 CAPÍTULO II. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS OPERACIONALES DEL HORNO ROTATORIO PARA LA CALCINACIÓN DE ARCILLA CAOLÍNITICA ............................................ 25 2.1. Descripción del flujo tecnológico para la producción de LC3. Actividad de calcinación de arcilla caolinítica .................................................................................................................................................... 25 2.2. Caracterización del horno rotario objeto de estudio ............................................................................. 26 2.3. Parámetros operacionales del horno rotatorio ...................................................................................... 28 2.3.2. Tiempo de residencia. Procedimientos para los cálculos experimentales ................................. 28 2.3.3. Flujo de alimentación ................................................................................................................ 34 2.4. Perfiles de temperatura ......................................................................................................................... 35 2.4.1. Perfil de temperatura exterior .................................................................................................... 35 2.4.2. Perfil de temperatura interior..................................................................................................... 36 2.5. Perfil de temperatura del sólido y los gases de combustión ................................................................. 38 2.6. Determinación del movimiento del material dentro del horno ............................................................. 44 CAPÍTULO III VALIDACIÓN DE LOS MODELOS EN CONDICIONES DE OPERACIÓN ............... 45 3.1. Modelos fenomenológicos del horno ................................................................................................... 45 3.1.1. Balance de masa y de energía en la sección de calcinación ...................................................... 45 3.1.2. Modelación y validación de los balances de masa y energía en el software MATLAB ........... 46 3.2. Conversión media de las partículas de arcilla caolinítica según su granulometría ............................... 50 3.3. Ensayos de laboratorio para la evaluación de la arcilla calcinada ........................................................ 55 3.3.1 Grado de deshidroxilación de la arcilla caolinítica calcinada .................................................... 55 3.3.2 Reactividad puzolánica de la arcilla calcinada. .......................................................................... 56 CONCLUSIONES GENERALES .............................................................................................................. 60 RECOMENDACIONES ............................................................................................................................. 61 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 62 ANEXOS ..................................................................................................................................................... 62 Anexo 1. Composición de las materias primas según los proveedores cubanos evaluados ............................ Anexo 2. Distribución en planta de la Planta Experimental de LC3 ............................................................... Anexo 3. Número (Fr) y regímenes de movimiento de material sólido .......................................................... Anexo 4. Programación en Excel de los balances de masa y energía ............................................................. Anexo 5. Muestras para el ensayo grado de deshidroxilación de la arcilla caolinítica calcinada ................... INTRODUCCIÓN Introducción 1 INTRODUCCIÓN Hoy en día, el cemento es uno de los materiales más utilizados en todo el mundo, produciéndose en alrededor de 150 países. El uso universal de este, la posibilidad de producción industrial, versatilidad y los grandes resultados obtenidos en su utilización hacen que su producción a nivel nacional sea representativa en el desarrollo de un país. Asociado a los procesos de manufactura del cemento, grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) son liberadas a la atmósfera. Se calcula que entre 0,65 – 0,90 toneladas de CO2 son emitidas por cada tonelada de cemento fabricado, lo que hace responsable a esta industria de entre 5 – 8 % de las emisiones globales (Gartner, 2004). La producción de cemento es catalogada como una industria energéticamente intensiva en la cual la energía representa entre el 20 – 40 % de los costos totales de producción y un consumo del 85 % de la energía total empleada para la producción de minerales no metálicos, representando alrededor del 6 % de la energía total en el sector industrial. No se concibe hasta hoy la sustitución a gran escala del cemento por ningún otro material, por lo que se hace necesario implementar estrategias que contribuyan al crecimiento de su producción de manera sustentable. Entre estas estrategias destacan la mejora en la eficiencia de los procesos, el uso de fuentes alternativas de combustibles, la reducción del factor de clínquer, y más recientemente la captura y almacenaje del CO2,(Martirena, 2003) ante la manufactura de cemento, se calcula que del total de emisiones de CO2, alrededor del 60 % es causado por la descarbonatación de las materas primas en la producción de clínquer, y el restante 40 % proviene de la quema de combustible y el consumo de energía eléctrica. De ahí que la reducción del factor de clínquer sea considerada la alternativa con mayor potencial a corto plazo para la reducción de las emisiones de CO2 en la producción de cemento. Esto se puede realizar a través del empleo de materiales sustitutos del clínquer, que garanticen las propiedades del cemento y al mismo tiempo mejoren su perfil medioambiental (Martirena, 2003). En el proyecto “Desarrollo de Ecomateriales para casas de bajo costo” (Development of Ecomaterials for Low Cost Housing), llevado a cabo entre 2006 - 2009 por la Escuela Politécnica Federal de Lausana y la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, se demostró que en suelos arcillosos con contenidos de caolinita del 40 % se puede obtener un material reactivo que permite sustituciones de hasta un 30 % del clínquer, sin comprometer sus propiedades mecánicas y su durabilidad (Alujas, 2010). A partir de los resultados obtenidos, un segundo proyecto “Producción de arcillas activadas para la producción de materiales de construcción de bajo costo en los países en vías de desarrollo” (Production of activated clays for low cost building materials in developing countries) para el Introducción 2 estudio de suelos arcillosos con purezas inferiores al 50 % del contenido de caolinita, es financiado por el Fondo Nacional Suizo (FNS) y la Dirección de Desarrollo Tecnológico del Ministerio de la Construcción (MICONS) de Cuba. El objetivo general del proyecto estuvo orientado a la formulación, caracterización y desarrollo de cementos con altos volúmenes de sustitución de clínquer mediante la adición combinada de arcilla calcinada y piedra caliza. La fase de investigación básica e implementación fue realizada con la participación directa del Grupo Empresarial de Cemento (GECEM) y la fábrica de cementos Siguaney, en Cuba. Como resultado de este macroproyecto fue desarrollado el cemento de bajo carbono (CBC) o (LC3). Esta alternativa hace frente a la creciente demanda de cemento utilizando materiales cementicios suplementario y al mismo tiempo, reduce el consumo de combustible, las emisiones de CO2 (hasta 50 %) y hace más eficiente y viable la producción utilizando la infraestructura existente disponible (Jiménez García, 2017). El LC3 es obtenido a partir de un sistema ternario de clínquer - arcilla calcinada - caliza. Este sistema aprovecha la sinergia que se produce entre los aluminatos y carbonatos, permitiendo aumentar el nivel de sustitución de clínquer hasta un 50 %. La calcinación de la arcilla ocurre a temperaturas más bajas que la requerida para la obtención del clínquer, lo que conlleva a ahorros de combustible (Vizcaıno et al., 2015). La Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono (LC3), única de su tipo en la región, se encuentra ubicada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Esta es una instalación semi-industrial que se utilizará para llevar a cabo diferentes estudios a escala industrial relacionados con el desarrollo de nuevos materiales de construcción. La misma fue adquirida en su totalidad con la colaboración del Proyecto Internacional Hábitat II y auspiciada por la cooperación Suiza (COSUDE). El equipo tecnológico fue fabricado por IPIAC - Nery Enterprise, con sede en Portugal. La operación continua de esta planta se desarrolla a través de la gestión cooperativa de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y la Empresa Geominera del Centro, perteneciente al Grupo Geominsal, del Ministerio de Industria y Minas de Cuba. Una de las actividades más novedosas en este proceso es la calcinación de arcilla caolinítica. El proceso de activación puede hacerse a través de medios mecánicos, químicos o térmicos. Dentro de los cuales el proceso térmico es la forma más efectiva y empleada para modificar la estructura cristalina de las arcillas y alcanzar el máximo potencial de reactividad puzolánica (Shi y Day, 2001). El intervalo de temperatura depende del tipo de arcilla, grado de cristalinidad y distribución granulométrica (Todor, 1976). Aunque generalmente este rango oscila entre los 700 - 900 ºC, lo cual es significativamente inferior a la temperatura necesaria para la clinquerización (1 450 ºC). Esto se traduce como menor consumo de energía y a su vez una disminución en la emisión de CO2. Introducción 3 Aunque el diseño de un horno rotatorio es laborioso, su aplicación resulta útil en aquellos procesos en los que se requieren tiempos de residencia relativamente largos, un calentamiento directo o una operación continua por la escala del proceso. Para la calcinación de arcilla caolinítica es necesario determinar de forma adecuada los parámetros operacionales del horno y la relación existente entre los mismos (Bongo Njeng et al., 2016). Como se puede apreciar el desarrollo de un nuevo tipo de conglomerante ha sido el eje central de las investigaciones precedentes. La búsqueda de una disminución del consumo de energía y con ello la carga contaminante ha logrado establecer la sustitución de volúmenes importantes de clínquer por arcillas activadas térmicamente en un rango de temperaturas dado. Sin embargo, aún no existe una tecnología fehacientemente estudiada que permita de forma óptima obtener arcillas calcinadas a escala industrial. De ahí que resulte importante establecer los parámetros operacionales del horno rotatorio, de modo que su interacción resulte en la obtención de adecuados materiales reactivos para la sustitución del clínquer. Lo anteriormente expuesto constituye la situación problemática de la presente investigación. Teniendo en cuentan todo lo planteado el problema de investigación a resolver es: carencia de un estudio fehaciente sobre el funcionamiento de horno rotatorio para obtener de forma óptima arcillas calcinadas en la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono. Se formula como hipótesis: si se realiza un adecuado balance de masa y energía en relación con los parámetros operacionales óptimos durante la activación térmica de arcillas en el horno rotatorio, entonces podrá obtenerse un material con el mayor grado de reactividad puzolánica posible para las condiciones dadas. En correspondencia con la hipótesis formulada, el objetivo general de la investigación consistió en: evaluar el proceso térmico de calcinación de arcilla en el horno rotatorio de la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono, analizando las distintas variables operacionales de este. Para su cumplimiento, el objetivo general es desagregado en los objetivos específicos siguientes: 1. Establecer los fundamentos teórico-conceptuales e instrumentales en torno a la activación térmica de arcillas en hornos rotatorios. 2. Analizar las distintas variables operacionales, como tiempo de residencia, flujo de alimentación y temperatura del material, que puedan afectar la calcinación de la arcilla caolinítica en el horno rotatorio. 3. Determinar los diferentes regímenes de movimiento de la arcilla caolinítica dentro del horno rotatorio dependiendo de la velocidad de rotación. Introducción 4 4. Establecer los balances de masa y energía que ocurren durante el proceso de calcinación, validando los resultados en el software MATLAB. 5. Determinar la conversión media de las partículas de arcilla caolinítica y el grado de deshidroxilación en el proceso de calcinación. En el transcurso de la investigación se utilizan diversidad de métodos teóricos y experimentales integrados a las diferentes etapas de trabajo. Los métodos teóricos están relacionados con el análisis y síntesis de información obtenida en la literatura y consulta a expertos sobre la calcinación de arcilla caolinítica, así como la determinación de parámetros operacionales. En cuanto a los métodos experimentales utilizados se encuentran pruebas de estímulos y respuestas en el reactor, construcción de los perfiles de temperatura, determinación de la conversión de las partículas según su granulometría, y caracterización de la arcilla calcinada a partir del grado de deshidroxilación y la reactividad puzolánica. Como métodos matemáticos la modelación y validación el software MATLAB de balances de masa y energía que tienen lugar en el horno rotatorio. En el procesamiento computacional de los datos se utilizaron los softwares Microsoft Excel, Minitab 16. y MATLAB. Para su presentación, este trabajo de diploma se estructura en tres capítulos. En el capítulo I se efectúa una revisión bibliográfica para la construcción del marco teórico referencial que sustenta la investigación. En el capítulo II a partir de los flujos de alimentación actuales y el diseño de los equipos se determinan las variables operacionales, los perfiles de temperaturas externo, interno y del material y los gases de combustión a lo largo del horno rotatorio, así como el movimiento del material dentro del este. En el capítulo III se realiza la evaluación de los modelos en condiciones de operación y se validan los balances de masa y energía en el software MATLAB. También es calculada la conversión media de las partículas de arcilla caolinítica según su granulometría a partir del modelo del núcleo sin reaccionar. Finalmente, se muestran los análisis experimentales para evaluar el nivel de calcinación y reactividad puzolánica de la arcilla calcinada en la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono. Además, se incluyen las conclusiones y recomendaciones derivadas de la investigación, las referencias bibliografías y finalmente un grupo de anexos de necesaria inclusión, como complemento a los resultados expuestos. CAPÍTULO I Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 5 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL DE LA INVESTIGACIÓN El presente capítulo muestra el resultado del estudio bibliográfico con el fin de analizar los fundamentos conceptuales que sustentan teóricamente la investigación. En este sentido se consultó bibliografía especializada y actualizada, acorde al análisis lógico-secuencial planificado en la construcción del marco teórico, cuyo hilo conductor se muestra en la figura 1.1. Figura 1.1. Estrategia para la construcción del marco teórico referencial de la investigación. 1.1. Situación actual de la industria cementera a nivel mundial El cemento es el segundo material más usado por el hombre, después del agua. Se estima que por cada habitante del planeta se producen como promedio tres toneladas de hormigón cada año (Aylard y Hawson, 2002); esto representa el 57 % de todas las producciones antropogénicas, excluyendo los combustibles fósiles y los flujos de desechos (Purnell, 2013). Debido a su relativo bajo costo de producción y versatilidad, no se visualiza en el futuro cercano el remplazo del concreto por ningún otro material (Vizcaıno, 2014). En 2017, el nivel de consumo de cemento en todo el mundo alcanzó 4 133 millones de toneladas, con un aumento del 60% desde 2006. Los 20 países mostrados en la figura 1.2 representan el 85% del consumo mundial de cemento. Solo China emplea 2 347 millones de toneladas, lo que equivale al 57%; mientras que la India con 297 millones de toneladas es el segundo mayor productor. Estos dos países representan el 64% del consumo total de cemento a nivel mundial. Las predicciones para el 2050 del “Consejo empresarial mundial para el desarrollo sostenible” (WBCSD por sus siglas en ingles World business council for sustainable development) indican que en un escenario de alta demanda el incremento de la producción alcanzará los 4 400 millones de Cemento de bajo carbono LC3 CONSTRUCCIÓN DEL MARCO TEÓRICO REFERENCIAL DE LA INVESTIGACIÓN Situación actual de la industria cementera a nivel mundial Producción de cemento en Cuba. Perspectivas Reducción del factor clínquer Materiales Cementicios Suplementarios Arcillas calcinadas como material cementicio suplementario Modelos de hornos para la calcinación. Horno rotatorio Métodos experimentales para obtener el tiempo de residencia Movimiento de sólidos en el interior del horno rotatorio Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 6 toneladas de cemento. Mientras que (Taylor et al., 2006, De las Cuevas, 1993) sitúan los pronósticos de la demanda por encima de los 5 000 millones. Figura 1.2. Países líderes en producción de cemento a nivel mundial Un estudio realizado por la ASOCEM (2016) sintetiza el panorama mundial de la industria del cemento según The Global Cement Report - International Cement Review, el Banco Mundial y el Fondo Monetario Internacional. Este documento establece una relación entre el consumo, la producción de cemento, y el PIB a nivel mundial (2006-2018P) cuyo comportamiento se muestra en la figura 1.3. Figura 1.3. Relación entre el consumo y la producción de cemento con el PIB a nivel mundial (2006-2018P) Fuente: ASOCEM (2016), Banco Mundial y FMI Otro aspecto que influye en el incremento de la demanda de los últimos años es el desarrollo y crecimiento de las llamadas “economías emergentes”. Solamente en el 2010, países de Suramérica, Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 7 África y Asia generaron el 85 % de la producción anual de cemento (Vanderley, 2002, Cembureau, 2010). Aunque en un análisis sobre el comportamiento de la industria cementera en América Latina Speranzini et al. (2016), expone que la debilidad económica en la región está afectando a los productores de cemento en Brasil, México, Colombia, Perú y Argentina, las cinco mayores economías de la región. 1.1.1. Situación actual de la producción de cemento en Cuba. Perspectivas La producción de cemento en Cuba data del año 1895, cuando se inauguró en La Habana la primera fábrica de cemento gris de Iberoamérica y hasta el año 1959 existían tres fábricas, para una capacidad instalada de 771 Mt/año. Asociadas al programa de obras sociales impulsado por la Revolución cubana se produjeron inversiones importantes que condujeron a la apertura de nuevas fábricas y la modernización de las existentes, lo que en pocos años elevó la capacidad instalada a 4 270 Mt/año. La producción de cemento alcanza su pico máximo en 1989 donde se reportaron volúmenes cercanos a las 4 000 Mt. Debido al derrumbe del campo socialista, sufrió un súbito descenso de más de 2 700 Mt en un período de tres años que se mantuvo estable hasta finales de la década del noventa (De las Cuevas, 1993). Actualmente el país cuenta con seis plantas de cemento, con una capacidad disponible de aproximadamente 2 869 Mt de clínquer/año, según datos suministrados por la Dirección Técnica del Grupo Empresarial de Cemento en Cuba (GECEM). Del total de fábricas en operación, 2/3 poseen tecnología de producción mediante proceso húmedo. Debido a la alta ineficiencia de estas fábricas, el 71 % del clínquer del cemento gris se produce en las fábricas con proceso seco (Mariel y Cienfuegos), mientras que el resto son explotadas en mayor medida como plantas de molienda (Vizcaıno, 2014). Esta información se resume en la tabla 1.1. Tabla 1.1 Fábricas de cementos en Cuba y sus tipos de proceso Fábrica Ubicación Tipo de Proceso Mártires de Artemisa Artemisa Solo molienda René Arcay Mariel, Habana Vía seca Karl Marx Cuabairo, Cienfuegos Vía seca Siguaney Siguaney, Sancti Spiritus Vía húmeda 26 de Julio Nuevitas, Camagüey Vía húmeda José Mercerón Santiago de Cuba Solo molienda Recientes cambios en la política económica del país, han propiciado el crecimiento y desarrollo acelerado de inversiones constructivas, sobre todo en el sector privado, lo que amplía la brecha existente entre la capacidad de producción y la cobertura de la demanda. No obstante, un reporte de agosto del 2019 evidencia que la producción de cemento estuvo por debajo de lo planificado para Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 8 esta fecha, dejándose de entregar 19 658 toneladas de cemento (Martirena, 2018). Las proyecciones de la producción y uso de cemento en Cuba se pueden apreciar en la figura 1.4. Figura 1.4. Proyección de la producción y uso de cemento en Cuba Fuente: Martirena (2018) Otro aspecto importante resulta el alto consumo de energía en la industria del cemento. Esta es catalogada como una industria energéticamente intensiva, en la cual la energía representa entre el 20-40 % de los costos de producción totales y consume el 85 % de la energía total empleada para la producción de minerales no metálicos, ello representa alrededor del 6 % de la energía total en el sector industrial (Agency, 2013, Taylor et al., 2006). El consumo de energía está directamente relacionado con el tipo de proceso que se emplea en la fabricación de cemento. Existen dos formas de homogeneizar la harina que se alimenta al horno, la neumática (con aire) para los procesos por vía seca y la hidráulica (con agua) para los procesos por vía húmeda, siendo el proceso húmedo el de mayor consumo de energía. Se evidencia que en el país la mayoría de las fábricas de cemento (66,67%) presentan un proceso de elaboración por vía húmeda, por lo que una disminución del consumo de energía por la sustitución parcial de una porción de clínquer en el cemento, tendría un mayor impacto en la eficiencia de los procesos de fabricación y en los resultados económicos de la industria cementera (Martirena, 2018). Por otra parte, es necesario tener en cuenta la huella ecológica inherente a los procesos de producción de cemento. Se calcula que entre 0,65 – 0,90 toneladas de CO2 son emitidas por cada tonelada de cemento fabricado (Gartner, 2004, Damtoft 2008) lo que hace responsable a esta industria de entre 5 – 8 % de las emisiones globales (WBCSD-CSI, 2018, Müller y Harnisch, 2008). Las acciones para disminuir la carga ambiental generada por la industria del cemento en Cuba han estado concentradas por muchos años en la conversión del proceso húmedo al seco. Este tipo de Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 9 cambio tecnológico conlleva grandes inversiones – en el orden de los € 150 mil por tonelada de capacidad de producción anual de clínquer – por lo que la estrategia ambiental ha sido concentrar la producción en las fábricas de Cienfuegos y Mariel, que son menos contaminantes (Sánchez et al., 2019). Por lo anterior Cuba se ha visto obligada a inmiscuirse en las estrategias comunes existentes a nivel internacional. Las cuales están sustentadas en cuatro líneas de trabajo fundamentales (WBCSD, 2009): (I) la mejora en la eficiencia de los procesos, (II) el uso de fuentes alternativas de combustibles, (III) la captura y almacenaje de CO2 y (IV) la reducción del factor de clínquer mediante el empleo de materiales cementicios suplementarios (MSC). Esta última representa una buena alternativa, no solo para mitigar el impacto ambiental sino para incrementar los volúmenes de producción de cemento y ayudar a suplir la demanda nacional; sin grandes costos de inversión, amortizados a corto plazo (Vizcaıno, 2014, Sanchez Berriel et al., 2016). 1.2. La reducción del factor clínquer. Materiales cementicios suplementarios La reducción del factor de clínquer en el cemento a través del empleo de otros productos reactivos constituye una de las líneas de trabajo establecidas por la industria del cemento en su camino hacia la sostenibilidad ambiental. Se estima que del total de emisiones de CO2, aproximadamente el 40 % proviene de la quema de combustibles y el consumo de energía eléctrica, mientras que el 60 % restante es causado por la descarbonatación de las materias primas durante el proceso de fabricación del clínquer (CSI, 2010). Los materiales que se emplean como sustitutos del clínquer y que reaccionan con hidróxido de calcio, son llamados materiales cementicios suplementarios. El empleo de los MCS y el nivel de sustitución del clínquer que estos pueden lograr dependen de la naturaleza y características química –físicas de cada material, así como de su variable disponibilidad en cada región (Hooton, 2008). Según Siverio Fernández (2016) el factor de reducción de clínquer es limitado por la reducción de la resistencia, sobre todo a edades tempranas, y la baja cinética de reacción de muchos MCS en comparación con la dilución del cemento. Algunos MCS provocan un incremento en la demanda de agua, que tiene un efecto negativo en la reología (Turanli et al., 2004). Todo ello restringe los niveles de sustitución aprobados en la normativa europea (CEN, 2011) de cemento hasta un 35 %, en dependencia del tipo del material cementicio utilizado. El aumento de los niveles de sustitución de clínquer ha estado liderado por las regiones con economías emergentes, como Latinoamérica, India y China, que se encuentran por encima de la media mundial de 22 % (CSI, 2010). El desafío a enfrentar para el desarrollo de la producción de Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 10 cementos mezclados y el aumento de los niveles de sustitución a partir del uso de materiales cementicios radica en la posibilidad de cubrir la demanda de cemento prevista para el 2050 con los MCS existentes. 1.2.1. Definición y clasificación de las puzolanas Dentro de las principales fuentes de MCS que se emplean actualmente se encuentran las puzolanas (ASTM, 1999). Según su naturaleza, las puzolanas pueden clasificarse en dos grandes grupos como naturales y artificiales (Massazza, 1993). Su efecto en morteros y hormigones, ya sea por su adición al cemento o al propio hormigón, ha sido ampliamente reportado en la literatura. Las propiedades de las mezclas fabricadas, dependerán del tipo de puzolana empleada, pero de manera general, incrementan la resistencia a edades avanzadas y la impermeabilidad del producto final, aunque también tienden a incrementar la demanda de agua (ACI, 2001). Las puzolanas naturales más comunes son las cenizas volcánicas, tobas zeolíticas - mayor presencia en Cuba - y tierras de diatomeas (Martirena, 2003, Betancourt Rodríquez, 1997, Day, 1992). A pesar de presentar una gran variedad, las puzolanas naturales presentan problemas de disponibilidad, ya que no se encuentran distribuidas de manera uniforme sobre la corteza terrestre. Mientras que en el grupo de puzolanas artificiales se encuentran las pizarras, arcillas calcinadas, los residuos de productos cerámicos, así como las cenizas provenientes de procesos agrícolas como las de cáscara de arroz y las de bagazo de caña (Betancourt Rodríquez, 1997). El empleo de MCS como extensores de clínquer es una alternativa empleada en Cuba, que ha estado centrada solamente en el uso de tobas zeolíticas – conocidas comúnmente como “zeolitas” – debido a su probada reactividad puzolánica (Rabilero, 1988) y la gran disponibilidad de reservas. Las tobas zeolíticas son adicionadas al clínquer en el cemento Portland en cantidades del 10 –35 % para la producción de cementos PP-25, PP-35 y Pz-25, según establece la norma cubana NC 96:2001 (NC/CTN22, 2011). Una de las limitantes para la producción de cementos mezclados con “zeolitas” radica en su baja demanda por parte de las empresas constructoras, que son aún las principales consumidoras de la producción nacional de cemento. Debido a las características de la producción industrial y seriada de elementos prefabricados, se necesitan resistencias iniciales muy altas para garantizar la continuidad y eficiencia de los procesos. Las adiciones minerales de “zeolitas” en el cemento, como la mayoría de los MCS, contribuyen a determinadas propiedades de durabilidad y el mayor desarrollo de la resistencia mecánica a largo plazo, pero tienen muy bajo desempeño de la resistencia a la compresión a edades tan tempranas como las primeras 24 horas, aunque existen reportes de resultados positivos en la producción de losas huecas pretensadas (Rosell, 2010). Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 11 También son factores agravantes el estado tecnológico deficiente de la mayoría de las plantas productoras, y la propia indisciplina tecnológica principalmente a “pie de obra”, que provocan el sobrediseño de las dosificaciones y el mal empleo de cementos de mayores prestaciones. Los áridos utilizados, en muchas ocasiones, no tienen la calidad requerida y están contaminados con otros materiales que influyen negativamente en la resistencia de los hormigones y fundiciones. Finalmente, la diversidad de usos de la “zeolita” que es demandada por industrias como la agropecuaria, la farmacéutica, la medicina, en el tratamiento de aguas residuales y potabilizadoras, incluso en la sustitución del dióxido de titanio en la fabricación de pinturas, hace del mineral un renglón altamente exportable. Las investigaciones llevadas a cabo por Alujas (2010), Fernández López (2009) y Rivero Estopiñales (2016) reportan el potencial puzolánico que ofrece la activación de arcillas cubanas multi-componentes con bajos contenidos de caolinita (30 %) para la fabricación de un conglomerante con rendimiento similar al cemento Portland. Aunque los datos del Instituto de Geología y Paleontología consideran las reservas de arcillas caoliníticas como bajas, poco más de 65 Mt, su potencial no ha sido debidamente investigado, pues los cálculos han estado limitados a las características demandadas por las industrias de la cerámica y para la producción de cemento blanco (Fernández López, 2009), que requieren de depósitos de arcillas de alta pureza de caolinita y/o bajo contenido de hierro. Por otro lado, el 65 % del territorio nacional está compuesto por formaciones de rocas calizas con alto contenido de carbonato de calcio (Brito y Delgado, 2005), por lo que su empleo como MCS debe ser explotado en mayor medida, actualmente este es considerado un constituyente minoritario del cemento en las normativas cubanas. 1.3. Arcillas calcinadas como material cementicio suplementario Las puzolanas naturales en forma de arcillas calcinadas mezcladas con cal han sido utilizadas como material cementante en infinidad de ocasiones. Los minerales arcillosos son un resultado de la meteorización de las rocas volcánicas con origen ígneo como los feldespatos formados a bajas temperaturas. Las arcillas en su estado natural poseen una estructura cristalina muy estable, de baja solubilidad química, reduciendo en gran medida la liberación de sílice y alúmina, presentando baja puzolanicidad (Scrivener et al., 2019). Dentro de los minerales más comunes en las arcillas, se encuentran presentes la caolinita, las esmectitas (montmorillonita), illita, clorita, palygorskita y sepiolita. (Alujas, 2010), define las arcillas como un grupo de minerales cuyos elementos predominantes son el Si, Al y O, y cuyas Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 12 propiedades fisicoquímicas derivan de su composición química, de su particular estructura interna en forma de capas (filosilicatos) y de su tamaño de grano muy fino. Martirena (2003) expresó los minerales arcillosos son formados por la variación progresiva de las rocas volcánicas, estas a su vez en estado natural presentan muy baja reactividad. La estructura cristalina puede ser alterada o destruida por medio de un tratamiento térmico a temperaturas entre 700- 900 ºC, dando lugar a una puzolana muy reactiva. Estudios recientes han demostrado la influencia que tiene la finura o superficie específica de las arcillas calcinadas en su reactividad. Fernández López (2009) demostró como a medida que aumenta la temperatura de calcinación existe una caída en la superficie específica del material y por ende en la reactividad del mismo. Las arcillas, de comprobadas propiedades puzolánicas una vez calcinadas bajo condiciones específicas, representan por su amplia disponibilidad y relativa facilidad de tratamiento una atractiva fuente de puzolanas en regiones donde otros recursos no están disponibles. La mayor parte de los estudios publicados sobre el empleo de arcillas calcinadas como materiales puzolánicos parten del uso de minerales arcillosos con una alta pureza. Sin embargo, las arcillas se presentan comúnmente en la naturaleza como depósitos donde se combinan varios tipos de minerales arcillosos con diversos minerales acompañantes y no como fases arcillosas puras, factores que afectan su potencial uso como materiales puzolánicos (Alujas, 2010, Scrivener et al., 2017). El tiempo de calcinación influye en la reactividad de la puzolana. Largos tiempos de exposición a altas temperaturas, por encima de la deshidroxilación, facilitan la re-cristalización, y con ello la disminución de esta cualidad. La baja reactividad de la puzolana pude ser propiciada por la combinación de temperaturas muy altas y largos tiempos de calcinación. Las temperaturas óptimas de calcinación de manera general están entre 700 - 900 ºC, y el tiempo de residencia debe ser menor de 2 horas (Martirena, 2003). 1.3.1. Arcillas caoliníticas: metacaolín La caolinita [Al2Si2O5(OH)4], se encuentra en el grupo de minerales arcillosos con la estructura más simple (solo dos láminas de filosilicatos). Contiene la mayor cantidad de grupos hidroxilos en su estructura y estos se encuentran ubicados en las capas externas, lo que facilita su pérdida (proceso de deshidroxilación) cuando es sometido a determinada temperatura, y por consiguiente el desorden del aluminio, pues ambos están conectados directamente. Ello conlleva a un mayor desorden estructural con respecto al resto de las arcillas, que se traduce en una mayor reactividad (Fernández et al., 2011, Pérez et al., 2019). Adicionalmente, la caolinita entre los minerales arcillosos estudiados requiere la menor temperatura para la deshidroxilación de su estructura, la cual se considera ha sido completada a los 600 ºC Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 13 (Fernández et al., 2011), mientras que la mayor actividad puzolánica se obtiene entre 700 – 850 ºC (Murat y Comel, 1983). Ello trae asociado un menor costo energético, además de conferirle a la caolinita la ventana térmica más amplia entre el comienzo del estado metaestable y la recristalización, lo que constituye una ventaja tecnológica. Es por ello que el estudio y empleo de arcillas calcinadas como MCS ha estado centrado en los últimos años en arcillas ricas en caolinita (Almenares et al., 2017, Alujas et al., 2015). El estado de desorden estructural al que llegan las arcillas con un alto grado de pureza en la mineral caolinita una vez deshidroxiladas, las convierte en el producto comercial metacaolín (MK), donde el prefijo es usado para caracterizar el estado de cambio sufrido por la arcilla. La principal industria consumidora del MK es la del papel, la cual retiene el 45 % de la producción, seguida de la industria cerámica y la fabricación de materiales refractarios, que consumen el 16 y 15 %, respectivamente. Los requerimientos de la industria del papel, demandan de arcillas con altos contenidos de caolinita y bajas concentraciones de hierro que garantizan el color blanco en el producto y la remoción de impurezas abrasivas como cuarzo y feldespatos. Para garantizar esas propiedades se requiere de tratamientos complejos y costosos que encarecen la manufactura del producto. Debido a los altos precios establecidos por los consumidores primarios, la industria del cemento solo retiene el 6 % de la producción de MK, por lo que el potencial para su empleo como MCS está condicionado por las características no favorables para el resto de las industrias (Tironi, 2013, Murray, 2002). Las tecnologías disponibles para la calcinación de arcillas muestran que los cuatro métodos empleados son: lecho fijo (horno a plato / bandeja), horno rotatorio, lecho fluidizado y calcinación instantánea o flash (Bapat, 2012, Salvador, 1992). El uso y efectividad de las tecnologías mencionadas para la obtención de un material reactivo está determinado por varios parámetros, entre los que destacan la temperatura, el tiempo de residencia y la granulometría del material. En un estudio publicado por Murat y Comel (1983) se determinó que metacaolines obtenidos mediante calcinación por lecho fijo, poseían mayor grado de desorden estructural y por tanto proporcionaban resistencias mecánicas superiores que aquellos obtenidos mediante calcinación en horno rotatorio. Por otra parte, (Salvador, 1995) reporta que a través de la calcinación flash se puede obtener un material con igual o mejor rendimiento puzolánico que cuando se emplea calcinación estática en un horno eléctrico. El empleo de una técnica u otra depende de factores de índole económica y tecnológica, pero su aplicación para la producción de metacaolín, como material extensor del clínquer se revela como una de las alternativas de bajo impacto ambiental, con emisiones de CO2 asociadas en el orden de Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 14 los 175 kg de CO2 por cada tonelada de MK, vinculadas a los procesos de extracción de la materia prima y la combustión de las mismas en el horno (Bapat, 2012). 1.3.2. Activación térmica de la arcilla En su estado natural las arcillas caoliníticas no pueden ser empleadas como puzolanas debido a que su estructura cristalina estable impide la liberación de sílice y alúmina como especies químicas capaces de participar en la reacción puzolánica (Shi y Day, 2001). La estructura en forma de capas propensas al deslizamiento y al agrietamiento, y la capacidad para inmovilizar grandes cantidades de moléculas de agua en su superficie son factores que pueden afectar de forma negativa la resistencia mecánica y la reología en un material cementicio. Mientras que la alta capacidad de adsorción de iones puede modificar la composición química de las soluciones acuosas, afectando las propiedades tecnológicas del hormigón. Por lo tanto, las arcillas deben modificarse estructuralmente para ser empleadas como materiales puzolánicos (Alujas, 2010). El proceso de activación puede hacerse a través de medios mecánicos, químicos o térmicos, dentro de los cuales es la activación térmica la forma más efectiva y empleada para modificar la estructura cristalina de las arcillas y alcanzar el máximo potencial de reactividad puzolánica (Shi y Day, 2001). El intervalo de temperatura depende del tipo de arcilla, grado de cristalinidad y distribución granulométrica (Todor, 1976). Aunque generalmente este rango oscila entre los 700 y 900 ºC, lo cual es significativamente inferior a la temperatura necesaria para la clinquerización (1 450 ºC). Esto se traduce como menor consumo de energía y a su vez una disminución en la emisión de CO2. Además, uno de los productos de reacción en la activación de las arcillas es H2O y no CO2 como en el caso del clínquer (Sabir et al., 2001). La calcinación de las arcillas se produce de la siguiente forma: calentamiento desde la temperatura ambiente hasta los 250 °C donde ocurre la pérdida (reversible en algunos casos) del agua adsorbida en las superficies externas e internas de la arcilla (deshidratación). Entre los 400 y 850°C ocurre la remoción de los iones OH- estructurales (desoxhidrilación) acompañada por el desorden parcial de la estructura cristalina y la formación de fases metaestables, caracterizadas por una alta reactividad química (Heller-Kallai, 2006). La pérdida de los iones OH- desestabiliza eléctricamente la estructura, especialmente en la zona de la capa octaédrica. Es por ello que en las arcillas calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en la reactividad puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en desestabilizarse estructuralmente durante el proceso de deshidroxilación. Cuando la temperatura se acerca a los 900 ºC, se produce una drástica caída en la superficie específica, que se refleja en una disminución de la actividad puzolánica (Alujas, 2010). Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 15 Para fases con un bajo grado de orden estructural la reactividad puzolánica se alcanza más rápido y a menores temperaturas que para fases minerales del mismo tipo, pero con un alto grado de orden en su estructura (He et al., 1995, Samet et al., 2007). Independientemente del tipo de mineral arcilloso, se ha observado que alrededor de los 950 °C toma lugar la reorganización de la estructura para formar nuevas fases cristalinas estables a altas temperaturas y químicamente poco reactivas. La presencia de impurezas de tipo no arcilloso como cuarzo y feldespatos tienden a reducir la temperatura a la cual ocurre este fenómeno, acortando el intervalo para el cual es posible la activación térmica de la arcilla (He et al., 1995). Por tanto, la temperatura de calcinación a la cual se obtiene la mayor reactividad puzolánica debe situarse dentro del intervalo que se extiende entre el final de la desoxhidrilación y el inicio de la recristalización, fenómenos que delimitan, desde el punto de vista estructural, el intervalo dentro del cual una fase arcillosa puede ser convertida en un material puzolánico mediante activación térmica. (figura 1.5). Figura 1.5. Comportamiento térmico de los minerales arcillosos Fuente: Cabrera (2015). 1.3.3. Reacción puzolánica Las bases para el empleo de los materiales puzolánicos como sustitutos parciales del clínquer en el Cemento Portland (CPO) o como materiales mezclados con el propio CPO, se fundamentan en la reacción ácido-base en su concepción más general. El ataque químico de los iones OH- que provienen de la disolución del Ca (OH)2 y de los iones alcalinos liberados en la hidratación del CPO (componentes básicos) a las redes aluminosilíceas (componentes ácidos) que se encuentran en un estado de alto desorden estructural dentro de las puzolanas, provoca la ruptura de los enlaces Si-O y Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 16 Al-O y la liberación de oxianiones a la solución. Esto ocurre porque la solución de poros del cemento es esencialmente alcalina, el producto inmediato de la reacción es un gel amorfo donde el K+ y el Na+ son los cationes dominantes. Sin embargo, la abundante presencia de Ca2+ y la baja solubilidad del silicato de calcio hidratado (CSH) y de las fases de la hidratación del cemento (AFt y AFm) aseguran que este gel sea solo un producto intermedio. Los nuevos productos de hidratación, formados a partir de la reacción de las puzolanas con la CH generada durante la hidratación del CPO, son los responsables de la mejora en las propiedades mecánicas y de durabilidad del hormigón (Taylor, 1990). La composición de los CSH formados durante la reacción puzolánica es similar a la de los CSH formados durante la reacción de hidratación del cemento, pero con una relación Ca/Si generalmente más baja. Si existen apreciables cantidades de alúmina reactiva en la puzolana, tal y como es el caso de las arcillas calcinadas, esta tiende a favorecer no solo la formación de fases de aluminato de calcio, sino también la sustitución parcial del Si por Al en la estructura de los CSH, incrementando así la relación Al/Ca en los CSH, en cuyo caso se refiere a estas fases como Silico-aluminato de calcio hidratado (CASH) (Taylor, 1990, Fernández López, 2009). Al igual que las principales reacciones de hidratación del CPO las reacciones puzolánicas son exotérmicas, pero como se verifican bajo una cinética más lenta su aporte al calor de hidratación para un instante determinado es menor, aunque la contribución al calor total acumulado puede llegar a ser significativa (Ramachandran, 2001). Para el caso particular de las arcillas calcinadas, tres reacciones químicas pueden ser planteadas de forma hipotética para describir la interacción entre el Ca (OH)2 y la sílice y la alúmina que se encuentran en un estado de alto desorden estructural. En este caso, las reacciones son planteadas tomando como base el Metacaolín (MK) (Baronio, 1997). AS2 + 5CH + 3H → C4AH13 + 2CSH (Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tetracalcioaluminato hidratado) (Silicato de calcio hidratado) AS2 + 6CH + 9H → C3AH6 + 2CSH (Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Tricalcioaluminato hidratado) (Silicato de calcio hidratado) AS2 + 3CH + 6H → C2AH8 + CSH (Metacaolín) (Portlandita) (Agua) (Stratlingita o gehhelenita) (Silicato de calcio hidratado) Los productos predominantes de esta reacción son los CSH, acompañados de las fases ricas en alúmina como la Stratlingita (C2ASH8) y los hidroaluminatos de calcio (C3AH6) (Fernández López, 2009). En los cementos modernos, el contenido de sulfatos o carbonatos puede ser relativamente Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 17 alto formando preferencialmente ettringita, monosulfatos y carboaluminatos, inhibiendo de esta manera la precipitación de las fases mencionadas (Cabrera, 2015). 1.4. Cemento de bajo carbono LC3 El cemento de bajo carbono (CBC) o (LC3) es un nuevo material surgido en el Centro de investigación y desarrollo de las estructuras y los materiales de construcción (CIDEM), perteneciente a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) en conjunto con el Laboratorio de materiales de construcción (LMC) perteneciente a la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza. Esta alternativa hace frente a la creciente demanda de cemento utilizando MSC y al mismo tiempo, reduce el consumo de combustible, las emisiones de CO2 (hasta 50%) y hace más eficiente y viable la producción utilizando la infraestructura existente disponible (Jiménez García, 2017). El LC3 es obtenido a partir de un sistema ternario de clínquer- arcilla calcinada-caliza. Este sistema aprovecha la sinergia que se produce entre los aluminatos y carbonatos, permitiendo aumentar el nivel de sustitución de clínquer hasta un 50 % sin comprometer las propiedades físico-mecánicas y durabilidad del nuevo cemento. La calcinación de la arcilla ocurre a temperaturas más bajas que la requerida para la obtención del clínquer lo que conlleva a ahorros de combustible (Vizcaıno et al., 2015). La novedad y el potencial de este nuevo conglomerante reside en el efecto sinérgico de arcillas calcinadas y piedra caliza en términos de resistencia en proporciones de mezcla específicas (Alujas, 2010, Fernández et al., 2011, Scrivener, 2014). La reducción del costo total de producción del cemento LC3 es del 15 % con respecto al P-35 y 5 % con respecto al PP-25 (Vizcaıno, 2014). Teniendo en cuenta los factores económicos y medio ambientales de la producción a escala industrial del LC3 (Jiménez García, 2017, Abreu Cerdá, 2017) muestra la viabilidad de su implementación en países en vías de desarrollo. 1.4.1. Propiedades y aplicaciones del LC3 Aguilar (2015) y Jiménez García (2017) han realizado ensayos donde utilizan cementos LC3, producido artesanalmente, en la fabricación de bloques huecos de hormigón mostrando una adecuada resistencia a la compresión y absorción. Sin embargo, los hormigones elaborados con LC3 de producción local requieren de mayor cantidad de agua y/o aditivo superplastificantes para lograr cumplir con los requisitos para su utilización en comparación con los hormigones producidos con cemento Portland P-35 (Aguilar, 2015, Martirena, 2015, Jiménez García, 2017). Este nuevo sistema cementicio tiene como limitación la concepción de hormigones estructurales, pues con un aumento de la sustitución del clínquer de más del 45 % comienza a decaer el pH del Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 18 material dando lugar a procesos de carbonatación y futuras corrosiones del acero de refuerzo (Alvarez Ibarra, 2014). No obstante el empleo de LC3 industrial en elementos prefabricados, mejoran las propiedades mecánicas y la durabilidad expresada a través de la permeabilidad (Vizcaıno, 2014). Otra ventaja del LC3 es la posibilidad de una producción descentralizada, en zonas alejadas de los grandes centros industriales y grandes ciudades, así como los bajos costos de inversión inicial y rápida recuperación. Este conglomerante puede ser utilizado en morteros de albañilería, estabilización de suelo en bloques prensados, producción de prefabricados ligeros de hormigón de pequeño formato y en la elaboración de hormigón masivo de baja resistencia (Martirena, 2015). Según Alvarez Ibarra (2014), se han producido en Cuba alrededor de 143 130 toneladas de LC3 y en una segunda etapa, 11 000 bloques huecos de hormigón con el empleo de este nuevo cemento. Estos bloques cumplen con las normas de resistencia y absorción de agua, por lo que se utilizarán para la construcción de estructuras con diferentes fines investigativos. Según Vizcaıno (2014) la ventaja evidente de los cementos ternarios sobre la base del sistema clínquer – arcilla calcinada − caliza con respecto a los cementos mezclados tradicionales radica en la posibilidad de elevar el nivel de sustitución de clínquer sin comprometer las propiedades finales del cemento. Los cementos ternarios formulados a escala de laboratorio con la adición combinada arcilla calcinada – caliza en sustitución de los contenidos de clínquer hasta en un 60 % alcanzan resistencias mecánicas superiores a los 35 MPa a los 28 días. En ello influye la alta finura propiciada por la naturaleza de la adición y la alta reactividad del sistema. Por su parte, Tecnología y Acción para el Progreso Rural (TARA) y el Instituto Indio de Tecnología de Delhi (IIT Delhi) producen alrededor de 40 toneladas de cemento en la India y demuestran que el cemento LC3 se puede producir usando tecnologías ampliamente disponibles, siendo la tecnología fundamental el horno rotatorio par la calcinación de arcilla (Sánchez et al., 2018). 1.5. Horno rotatorio 1.5.1. Características de los hornos rotatorios El horno rotatorio fue creado en 1884 y revolucionó de tal modo la industria del cemento que puede considerarse la invención más importante en la fabricación del mismo. Estos están constituidos por un cilindro de acero apoyado sobre estaciones de rodadura (desde dos hasta ocho), con una ligera inclinación de 2 a 3,5 grados sobre el plano horizontal, que gira alrededor de su eje central, permitiendo así la circulación del material en su interior en la dirección axial. Las dimensiones de los hornos rotatorios han ido aumentando de forma gradual, deteniéndose momentáneamente en un tamaño máximo de 4 x150 m. En las últimas décadas se han instalado Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 19 unidades mayores para la producción de cemento, llegando a dimensiones de 1,8 - 7,5 m de diámetro y 60 - 170 m de longitud. Durante la marcha, el horno describe un movimiento de rotación lento, de 0,5 a 4,5 revoluciones por minuto (rpm), según su diámetro e inclinación (Morales, 2004, Ramos, 2008, Feijoó Caraballo, 2017). La parte principal del horno la constituye el cuerpo, que está formado por la carcasa de acero. Esta se encuentra revestida interiormente en toda su superficie con ladrillos refractarios para evitar el sobrecalentamiento del acero, que traería como consecuencia su debilitamiento y así soportar las elevadas temperaturas de operación. El tiempo de actividad del horno depende, en primer lugar, de la calidad del revestimiento, por ello se prescinde de su alto precio y se adquieren las mejores calidades del material para revestir el mismo a fin de lograr un dilatado período de explotación. Las finalidades del revestimiento refractario del horno rotatorio son: proteger a la coraza o chapa del horno de las altas temperaturas de la llama y del material en proceso de reacción, así como rebajar las pérdidas de calor hacia el ambiente por radiación y convección de la chapa del horno (Bongo Njeng et al., 2016). El horno rotatorio en su interior está divido por zonas, las cuales están dadas por gradientes de temperatura. Según Feijoó Caraballo (2017) estas zonas se encuentran revestidas con diferentes tipos de ladrillo refractario, por ejemplo:  Zona de calcinación: se utilizan ladrillos de alto por ciento de alúmina para prevenir una fuerte acción corrosiva de la cal y un posible desconchamiento provocado por choques térmicos.  Zona de clinkerización: se utilizan los ladrillos con base de magnesita, los cuales son resistentes a la corrosión química del clínquer y al choque térmico.  Zona de enfriamiento: se utilizan ladrillos y concretos de alta alúmina resistentes al desgaste por abrasión y al desconchamiento. El ladrillo más extendido en la industria cementera es el sílico-aluminoso, con un porcentaje de alúmina variable de 30 a 70 %, muy utilizado para revestir la zona de enfriamiento del horno rotatorio. Le siguen los magnesianos, tanto en forma de óxido (magnesita), como espinelas (cromo- magnesita) más utilizados para revestir las zonas calientes del horno. El horno rotatorio cuenta con un quemador situado en su parte inferior que proporciona la llama que suministra energía y así alcanzar la temperatura requerida para la cocción de las materias primas, este puede utilizar variados combustibles como sólidos pulverulentos, líquidos o gaseosos (Morales, 2004, Feijoó Caraballo, 2017, Roa Cetina, 2018). La combustión es una de las variables más importantes para la calcinación, dada la necesidad de alcanzar altas temperaturas con un perfil adecuado. Para esto es necesario controlar la posición de la llama dentro del horno, forma, longitud Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 20 y temperatura que propicia. Esta última se controla principalmente con la relación aire-combustible y la cantidad de combustible inyectada al horno. Para describir la posición de la llama dentro del horno se presenta la figura 1.6. Figura 1.6. Esquema en un horno rotatorio para describir la posición de la llama. Los mejores posicionamientos de la llama son en las coordenadas A1, B1 y B2. Estos aseguran una buena transferencia de calor entre la llama y el material. Por otro lado, si la llama está muy cerca del material, véase casillas A2 o A3, hay peligro de que el crudo se pueda “quemar”, o que el combustible sin reaccionar quede incrustado en el material. Finalmente, si la llama está muy inclinada a las paredes superiores, véase casillas C1 o C2, puede atacar directamente el ladrillo refractario, disminuyendo su tiempo de vida útil. En el análisis de la forma de la llama debe considerarse que la variable con mayor influencia en la longitud es el porcentaje de aire presente en la zona de quemado. Esto se debe a que el combustible reacciona con el oxígeno para su combustión, por lo que una falta de aire inyectado causaría que la llama se volviese muy larga, ya que el combustible tiende a buscar oxígeno más allá de la parte de quemado. A continuación (figura 1.7), se presentan distintas formas de llamas obtenidas en un horno rotatorio. Figura 1.7. Formas de la llama dentro de un horno rotatorio Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 21 Como se explicó anteriormente, es preciso una longitud de llama corta, ya que esta extiende la zona de calcinación del horno, lo cual frecuentemente conlleva a incrementar su capacidad de producción. En este estudio, se opta por la llama C debido a que posee un mejor “cuerpo” y tiende a permanecer en una posición constante, reaccionando mejor a los cambios de flujo, tanto de aire como de combustible. Por otro lado, las llamas A y B tienden a flotar sobre la atmósfera del horno de manera inestable, lo cual podría afectar la costra del horno, o el mismo material. De igual manera, las llamas D, E y F se descartan por su contacto directo con el material y/o refractario. Una variación en el flujo de combustible no representa una variación proporcional en el calor liberado de la llama. La razón de esto es que la combustión del combustible depende altamente de las cantidades de aire (oxígeno) disponible y de las temperaturas internas, tanto de los gases como de las paredes del horno. Otra de las principales variables operacionales a modificar en el funcionamiento de un horno son: velocidad en la cual gira sobre su propio eje (revoluciones por minuto), ángulo de inclinación, flujo de gas y flujo de aire (Galleguillos Fuenzalida, 2019, Bongo Njeng et al., 2016). Según Feijoó Caraballo (2017) el horno rotatorio responde al modelo de un reactor continuo de flujo en pistón. La principal característica de este tipo de reactor es el cambio de la conversión según la posición de los reactantes dentro del equipo. Su caracterización matemática viene dada por:  Ecuación del balance de masa.  Ecuación del balance de energía.  Ecuación del balance de calor entre el sistema reaccionante y el medio de intercambio térmico.  Ecuación de las pérdidas de presión.  Ecuación de velocidad de reacción. 1.5.2. Métodos experimentales para determinar el tiempo de residencia en un horno rotatorio En los procesos que se basan en las transformaciones químicas de los materiales procesados, el tiempo de reacción es uno de los fundamentales controladores del proceso. El tiempo promedio de residencia del material en el equipo es medible mediante experimentos y/o metodologías de cálculo. En el caso de procesar líquidos o pulpas se realiza por la relación entre el volumen del equipo y el flujo, y en el caso de procesamiento de sólidos por las leyes que rigen el transporte del material a través del mismo. En este último caso el tiempo real que permanecen los distintos componentes del material procesado es muy diferente al tiempo promedio, por lo que no solamente interesa el material, sino también la distribución de tiempos de residencias (RTD) en el equipo, es decir, qué proporción del material procesado abandona el equipo al cabo de un tiempo determinado (Zhang et al., 2018). Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 22 Para poder establecer o precisar la RTD en cualquier reactor es normal el uso de trazadores. Las técnicas experimentales que se engloban en la denominación general de técnicas estímulo respuesta consideran la realización de estímulos al sistema, mediante una perturbación, para apreciar cómo responde a este estímulo. Este método de experimentación se emplea ampliamente en la investigación científica. En nuestro caso, el estímulo es una inyección de trazador en el fluido que entra al recipiente, mientras que la respuesta es una representación del trazador a la salida del recipiente frente al tiempo. Puede emplearse como trazador cualquier sustancia que se pueda detectar y que no perturbe el tipo de flujo en el recipiente, y cualquier tipo de señal de entrada: una señal al azar, una señal periódica, una señal en escalón, o una señal en impulso. En la figura 1.8 se representan estas señales, así como sus respuestas características. En la presente investigación solamente se considerará la última, por resultar más sencillo su tratamiento, aunque puede obtenerse la misma información con las señales de entrada mostradas (Levenspiel, 1987). Figura 1.8. Técnicas estimulo-respuesta empleadas corrientemente para el estudio del flujo en recipientes. Fuente: Levenspiel (1987). Cuando la corriente de fluido que entra al recipiente no contiene trazador alguno, y se le impone una señal en impulso idealizada de trazador (señal trazadora que se inyecta de modo virtualmente instantáneo y que frecuentemente se conoce con el nombre de función delta o pulsación) se denomina curva C a la respuesta normalizada del trazador en la corriente de salida frente al tiempo (figura 1.9) (Levenspiel, 1987). Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 23 Figura 1.9. Señal característica aguas abajo, denominada curva C, que corresponde a la respuesta de una señal en función δ aguas arriba. Fuente: Levenspiel (1987) 1.5.3. Movimiento de sólidos en el interior del horno rotatorio El material sólido dentro de los hornos rotatorios presenta dos componentes: axial y transversal. El movimiento axial repercute en el tiempo de residencia del material sólido, mientras que el movimiento transversal influye en la distribución de material sólido. Lo cual incide en la transferencia de materia y energía entre los gases y el material sólido, y de energía entre ellos y las paredes del horno. Se ha reportado que el material sólido puede presentar diferentes regímenes de movimiento dependiendo esencialmente de la velocidad de rotación del horno (Boateng, 2008). El régimen de movimiento varía desde deslizante hasta centrífugo, tal como se esquematiza en la Figura 1.10. Figura 1.10. Esquemas de los diferentes régimenes de movimiento de material sólido al interior de un horno rotatorio Fuente: Boateng (2008) La efectividad de la transferencia de masa y energía dependerá del régimen dominante. Esto se debe a que los diferentes regímenes de movimiento exponen de forma diferente la capa activa de material sólido a los gases. En el movimiento deslizante considera que el lecho de material sólido se mueve Capítulo I. Marco teórico referencial de la investigación 24 como un todo sin generar “ninguna” condición de mezcla. En el movimiento de caída el material sólido se eleva como un todo hasta que vence el ángulo de reposo del material y desciende de forma uniforme. En los movimientos de cascada y catarata el movimiento del material sólido es agresivo generándose una especie de “olas” en el interior del horno. Este tipo de movimientos se presentan a elevadas velocidades de rotación. El movimiento centrífugo es una condición crítica en la cual el material sólido, por efecto de la fuerza centrífuga, se adhiere a la pared interna del horno y gira a la misma velocidad, permaneciendo prácticamente estático, sin generar ninguna condición de mezclado (Boateng, 2008) El número de Froude (Fr) establece la relación entre las fuerzas de inercia y de gravedad que actúan sobre un fluido determinando el régimen de movimiento del material sólido dentro del horno rotatorio. A medida que Fr aumenta, el régimen del movimiento de sólidos varía desde deslizante a centrífugo. En la industria el movimiento deseado es el correspondiente al régimen rodante, ya que a tales condiciones de movimiento el material sólido presenta una capa activa prácticamente uniforme (Boateng, 2008). CAPÍTULO II Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 25 CAPÍTULO II. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS OPERACIONALES DEL HORNO ROTATORIO PARA LA CALCINACIÓN DE ARCILLA CAOLÍNITICA Como respuesta al problema de investigación planteado y derivado de la construcción del marco teórico referencial, en este capítulo se establecen los parámetros de operación del horno rotatorio para la calcinación de arcilla caolínitica en la Planta Experimental para la producción de cemento de bajo carbono. Para ello se parte de una descripción del flujo tecnológico para la producción de LC3, detallando la actividad de calcinación de arcilla. A partir de los flujos de alimentación actuales y el diseño de los equipos se determinan las variables operacionales y los perfiles de temperaturas externo, interno, así como del material y los gases de combustión a lo largo del horno 2.1. Descripción del flujo tecnológico para la producción de LC3. Actividad de calcinación de arcilla caolinítica La obtención de cemento LC3 requiere una proporción ideal de las materias primas distribuidas de la forma siguiente: clínquer (50 %), arcilla calcinada (30 %), caliza (15 %) y yeso (5 %); lo que permite alcanzar valores de resistencia similares a los cementos puros, incluso a edades muy tempranas. Para su producción es necesaria la recepción y almacenamiento del clínquer, arcilla caolinítica, caliza y yeso de los proveedores nacionales certificados con anterioridad. La caracterización química y mineralógica de las materias primas recibidas, así como el comportamiento de los parámetros según los proveedores actuales se muestran en el Anexo 1. Posteriormente se incorpora de forma manual la arcilla caolinítica, con granulometría de 0,1–2,0 mm, a la banda transportadora (número 1), manteniendo un flujo de alimentación de 100 kg/h. La cual converge a la entrada del horno rotatorio, donde ocurre la actividad de calcinación. En una primera fase de dicha actividad la arcilla caolinítica, con una humedad que oscila entre 8 – 12 %, es secada a una temperatura entre 100 y 400 ºC. Luego ocurre el proceso de total deshidroxilación de la arcilla, es decir una reacción química en fase sólida donde el agua intercristalina existente en las moléculas de arcilla se evapora a una temperatura de 500 a 850 ºC, en ningún caso se debe alcanzar la temperatura de re-cristalización del material, de 950 ºC. El agua evaporada es expulsada del horno junto con los gases de combustión de diésel. La extracción de dichos gases y vapores se realiza a través del ventilador de extracción, luego estos circulan hacia el separador Sólido-Gas (ciclón) para finalizar la separación de los sólidos y reincorporarlos a la alimentación, mientras que los gases son expulsados a la atmósfera. Por su parte, el control de las temperaturas en las distintas zonas del horno se realiza mediante dos termopares cromel-alumel con un rango máximo de trabajo de 900 ºC. Mientras que la mezcla de Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 26 diésel y aire para que se produzca una buena combustión se regula a partir de un quemador de gasóleo a dos llamas a salto de presión. La arcilla térmicamente activada sale del horno con un flujo de 70 kg/h. Esta es depositada en una criba vibratoria y enfriada por un ventilador hasta lograr una temperatura final de aproximadamente 40 a 60 ºC. En esta etapa existe un punto de control para comprobar la pérdida por ignición y la actividad puzolánica de la arcilla calcinada, evaluándose muestras de aproximadamente 2 kg. A esta se le medirá la temperatura a la salida del horno y la caracterización química y mineralógica mediante técnicas de Fluorescencia de Rayos X (FRX), Difracción de Rayos X (DRX), Protocolo R3, Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) y Análisis Termogravimétrico (ATG). Se compararán con los resultados de la calcinación estacionaria, con el empleo de una mufla eléctrica Naberthern LH30/14, a nivel de laboratorio. Posteriormente la arcilla calcinada es trasladada a través de la banda transportadora (número 2) hacia el silo de almacenamiento. La planta consta con tres silos dedicados a almacenar las materias primas y productos intermedios con 0,93 m3 de capacidad cada uno. De forma manual y secuencial se dosifican las cantidades a obtener de cada silo controlando el flujo másico según el tiempo y diámetro de la salida del silo. El control sobre las dosificaciones está dado por la capacidad en la actividad de molienda. El molino de bolas soporta un flujo de alimentación de hasta 250 kg/h de material. Por último, el ventilador succiona el material desde el molino haciéndolo pasar hacia el separador sólido-gas (ciclón). Los sólidos contenidos en los gases pasan por un filtro de manga, de alrededor de diez micras. Estos son depositados con el resto del material en el fondo del ciclón y posteriormente extraídos por un tornillo sinfín para la actividad de envasado y empaquetado. La distribución de la Planta Experimental de LC3 se muestra en el Anexo 2. 2.2. Caracterización del horno rotario objeto de estudio El horno rotatorio consiste en un tubo cilíndrico apoyado sobre estaciones de rodadura, con una pendiente respecto a la horizontal y una velocidad de rotación establecida según su diseño (hornos largos u hornos cortos). Según Duda (1977) y Flsmidth (2018) la pendiente del horno oscila entre el 2 – 6 o con relación a la horizontal. Como fruto de la experiencia de explotación de hornos rotatorios se ha obtenido la relación óptima entre la pendiente y el coeficiente de llenado (ϕ). El horno de la planta donde se desarrolla esta investigación tiene una pendiente de 2 o con un coeficiente de llenado de 11 %. Por su parte la velocidad de rotación oscila por diseño en un intervalo entre 0.5 – 2 rpm. La longitud (L) y el diámetro (D) de los hornos se relacionan por leyes empíricas tales como L/D=10-13. Para hornos largos con diferentes tipos de apoyo pueden encontrase prototipos con Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 27 relaciones 4-12 (Luna, 2007, Aros Oñate, 2010). El diseño del horno bajo estudio presenta una relación L/D=6. En la tabla 2.1 se muestran las dimensiones definitivas adoptadas, así como los valores de los coeficientes y factores asumidos. Tabla 2.1. Principales dimensiones y parámetros de trabajo en el horno rotatorio. Longitud (m) Diámetro (m) Coeficiente de llenado ϕ (%) L/D Velocidad de rotación (rpm) 3,75 0,68 11 6 0,5-2,5 En la Planta Experimental para la producción de LC3 el horno rotatorio tiene la función de producir arcilla activada térmicamente mediante la calcinación de la arcilla caolinítica. Este en su interior está divido por zonas según los gradientes de temperatura. La figura 2.1 muestra el esquema del horno a estudiar; señalando las zonas en que convencionalmente puede dividirse en función de los procesos que ocurren. Figura 2.1. Horno rotatorio. Zona de alimentación y secado: al ser alimentada la arcilla caolinítica esta desciende por el interior del horno, aumentando su temperatura a partir de un proceso de intercambio de calor, lo cual favorece el secado de la misma a una temperatura entre 100 y 400 oC. Zona de calcinación: alrededor de los 500 ºC comienzan las reacciones de deshidroxilación, es decir se efectúa la pérdida de los grupos hidroxilos hasta alcanzar los 850 ºC, formándose una estructura cuasi-amorfa en un estado metaestable. En este se reconoce la fuente de actividad puzolánica y ocurre la activación térmica de las arcillas. El proceso de pérdida de masa de la caolinita durante la activación térmica en función de la temperatura de activación, se define por las expresiones siguientes (Alujas, 2010): Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 28 Al4 [(OH)8 Si4 O10] → 2(Al2 O3 2SiO2) + 4H2O (2.1) Al2 O3 2SiO2 (OH)4 → Al2 O3 +2SiO2 + 2H2O (2.2) Zona de enfriamiento: la arcilla calcinada continúa desplazándose hacia la criba de enfriamiento. Al llegar a la descarga de la criba, el material se ha enfriado hasta una temperatura de 50-60 oC. El horno rotatorio posee una virola de acero, y en su interior un revestimiento de ladrillo refractario, encargado de disminuir la transferencia de calor hacia el exterior, como se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2. Interior de un horno rotatorio Las principales variables operacionales a modificar en un horno rotatorio son velocidad de rotación el horno (revoluciones por minutos (rpm)), flujo de combustible y flujo de aire. Las revoluciones por minuto y el ángulo de inclinación definen el tiempo de residencia del material dentro del horno. Por su parte la relación aire-gas define la temperatura del material en las distintas zonas. 2.3. Parámetros operacionales del horno rotatorio 2.3.2. Tiempo de residencia. Procedimientos para los cálculos experimentales En los procesos basados en transformaciones químicas de materiales el tiempo de reacción es uno de los controladores fundamentales. El tiempo promedio de residencia del material en el equipo es calculado normalmente con precisión. De las ecuaciones más utilizadas por las empresas cementeras para la determinación del tiempo de residencia del material en un horno rotatorio se encuentra la ecuación 2.3. Los resultados de la estimación teórica se muestran en la tabla 2.2. 𝑡𝑟 = 1,77∗𝐿∗√θ 𝑃∗𝐷∗𝑁 (2.3) Donde: 𝑡𝑟: tiempo de residencia teórico Refracta rio trabajando Refracta rio aislante Virola de acero Matrial Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 29 𝐿: largo del horno, 𝜃: ángulo de talud natural del material seco 𝑃: pendiente en grados sexagesimales 𝐷: diámetro interior y 𝑁: revoluciones por minuto. Tabla 2.2. Tiempo de residencia teórico variando la velocidad de rotación Velocidad de rotación (rpm) 0,5 1 1,5 2,0 Tiempo de residencia teórico (min) 74,6 37,3 24,8 18,7 Cuando el largo y diámetro del horno son variables conocidas el tiempo de residencia del material solo depende de la velocidad de rotación y la pendiente. Esta última es constante por diseño, siendo el tiempo de residencia dependiente casi en su totalidad del control de la velocidad de rotación. En el caso de los hornos industriales existen formaciones de pegaduras que influyen en el tiempo de residencia (Feijoó Caraballo, 2017). En el procesamiento de sólidos el tiempo real que permanecen los distintos componentes del material procesado es diferente al tiempo promedio. Por esto no debe analizarse solo el material, sino también la distribución del tiempo de residencia (RTD) en el equipo, es decir, qué proporción del material procesado abandona el equipo al cabo de un tiempo determinado (Zhang et al., 2018). Para establecer o precisar la RTD en cualquier reactor pueden ser utilizados los trazadores. Un trazador es un material que se añade en la alimentación, y al muestrear en la salida del horno el material procesado se determinan los cambios de concentración en el mismo. Esto permite evaluar en qué proporción y el momento de salida del material del equipo. Los trazadores no deben producir efectos negativos apreciables al proceso en que se apliquen, ni formar compuestos volátiles que afecten la determinación de su contenido, por ser insolubles u otra cualquiera razón. Además deben adquirirse a un precio razonable y en la cantidad necesaria (Bongo Njeng et al., 2014). En el procesamiento experimental para determinar el tiempo de residencia, es contrarrestada la ecuación 2.3 con la función de distribución del tiempo de residencia, y específicamente con su función de tiempo esperado de residencia. Ambas ecuaciones se describen a continuación: 𝐸(𝑡) = 𝐶(𝑡) ∫ 𝐶(𝑡)𝑑𝑡 ∞ 0 ≈ 𝐶(𝑡) ∑ 𝐶(𝑡)∆𝑡 (2.4) 𝑡𝑚 = ∫ 𝑡∗𝐸(𝑡)𝑑𝑡 ∞ 0 ∫ 𝐸(𝑡) ∞ 0 = ∫ 𝑡 ∗ 𝐸(𝑡)𝑑𝑡 ∞ 0 ≈ ∑ 𝑡 ∗ 𝐸(𝑡) ∆𝑡 (2.5) Donde: 𝐸(𝑡): función de distribución del tiempo de residencia en un tiempo 𝑡 𝐶(𝑡): concentración de masa en un tiempo 𝑡 𝑡: tiempo Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 30 𝑡𝑚: tiempo de residencia promedio Las técnicas experimentales que se engloban en la denominación general de “Técnicas Estímulo Respuesta” consideran la realización de estímulos al sistema, mediante una perturbación, para apreciar cómo responde a este. En el presente estudio, el estímulo es una inyección de trazador en el fluido que entra al recipiente, mientras que la respuesta es una representación del trazador a la salida del recipiente frente al tiempo. Cuando la corriente de fluido que entra al recipiente no contiene trazador alguno, y se le impone una señal en impulso idealizada de trazador (señal trazadora que se inyecta de modo virtualmente instantáneo y que frecuentemente se conoce con el nombre de función delta o pulsación) a la respuesta normalizada del trazador en la corriente de salida frente al tiempo se denomina curva C. Para obtener datos experimentales del material en el horno rotatorio se simula un impulso corto de alimentación, y se analiza su comportamiento en función del tiempo, como se muestra en la figura 2.3. Figura 2.3. Diagrama ejemplificando la inyección de un impulso y su posterior respuesta En la industria cementera es difícil el empleo de los trazadores debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el proceso, sin embrago en este sistema estas son menores de 1000 ºC por lo que se hace viable su utilización. Para la selección de un trazador adecuado y determinar el tiempo de residencia se emplea la metodología experimental siguiente. Primeramente, se utilizó de trazador bolas de molino de 17 mm, simulando en distintos escenarios el comportamiento de estas como trazador. Metodología experimental: 1. Esperar que el horno rotatorio este trabajando de manera estable a una velocidad de rotación de 0,5 rpm. Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 31 2. Introducir 11 bolas de molino como trazador en un tiempo determinado (un minuto). 3. Medir en la salida, con la ayuda de una balanza analítica, la masa que sale del horno. 4. Detenerse cuando haya salido un total de la muestra. 5. Replicar este experimento para 0,5; 1 y 1,5 rpm. Resultados experimentales para determinar el tiempo de residencia El experimento número uno es desarrollado en diferentes escenarios variando las revoluciones por minutos del horno rotatorio (0,5; 1 y 1,5 rpm). Las once bolas de molino (trazador) son alimentadas al horno de forma conjunta y se mide, con la ayuda de una balanza analítica y el cronómetro, la masa total de bolas que sale del horno en un mismo instante de tiempo. La tabla 2.3 representa los resultados obtenidos al aplicar la metodología experimental anteriormente explicada. Las dos primeras columnas muestran los instantes de tiempo de salida del trazador del horno y su concentración másica para los diferentes escenarios. Posteriormente para la modelación de las respectivas curvas de distribución es necesario realizar la normalización de dichas variables, dado que es conveniente medir el tiempo en función del tiempo medio de residencia dando una medida adimensional (𝜃 = 𝑡 �̅� ) . La figura 2.4 (a, b, c) muestra la concentración del trazador, bolas de molino, a la salida frente al tiempo de forma adimensional (𝐶𝜃 versus 𝜃) indicando la distribución de edades en los diferentes escenarios experimentales con 0,5; 1 y 1,5 rpm respectivamente. Se puede apreciar un comportamiento erróneo en el trazador que no describe la trayectoria del material dentro del horno rotatorio, por lo que el tiempo obtenido es más rápido que el tiempo real que transcurre desde la alimentación de arcilla caolínitica hasta la obtención de la arcilla calcinada. Aunque si es adecuado la relación directa que se evidencia entre el tiempo de residencia y la velocidad de rotación (en rpm), reflejando que a medida que aumentan la velocidad de rotación el tiempo de residencia es menor. En la figura 2.4 a y b se muestran dos momentos en la concentración normalizada de salida del trazador. Esto responde a que la masa arrojada de trazador se distribuye en dos únicos intervalos (datos tabla 2.3): 965,2 g a los 10 segundos y 373,4 g a los 30 segundos para el primer escenario y 727,5 g a los 5 segundos y 610,7 g a los 10 segundos para el segundo escenario, fenómeno que se evidencia en el comportamiento de la gausiana. La figura 2.4 c, correspondiente a una velocidad de rotación de 1,5 rpm, refleja la salida de la concentración total del trazador a los 5 segundos. Esto puede ser tomado como el comportamiento de un flujo en pistón ante una señal de impulso. Un reactor de flujo en pistón se caracteriza porque el flujo de fluido a través de este es ordenado, como consecuencia todos los elementos de fluido tienen el mismo tiempo de residencia dentro del reactor. Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 32 Tabla. 2.3. Resultados del experimento uno para determinar el tiempo de residencia con diferentes velocidades de rotación. Tiempo ti (s) Concentración de trazador Ci(g) Δ tiempo Ci* Δti ti* Ci* Δti E=C=Ci/Q Tiempo medio (�̅� ) Ɵ=ti/�̅� CƟ=E*Ɵ Escenario experimental 1: velocidad de rotación a 0,5 rpm 0 0 10 0 0 0 13,242 0 0 10 965,2 20 19 304 193 040 0,042 - 0,755 0,032 30 373,4 10 3 734 112 020 0,016 - 2,266 0,037 40 0 - - - 0 - 3,021 0 Escenario experimental 2: velocidad de rotación a 1 rpm 0 0 5 0 0 0 7,282 0 0 5 727,5 5 3 637,5 18 187,5 0,109 - 0,687 0,075 10 610,7 5 3 053,5 30 535 0,091 - 1,373 0,125 15 0 - - - 0 - 2,059 0 Escenario experimental 3: velocidad de rotación a 1,5 rpm 0 0 2 0 0 0 5 0 0 2 0 3 0 0 0 - 0,4 0 5 1 338,8 2 2 677,6 13 388 0,5 - 1 0,5 7 0 - - - 0 - 1,4 0 Figura 2. 4 a) Curva RTD escenario 1 b) Curva RTD escenario 2 c) Curva RTD escenario 3 El experimento número dos se realiza operando el horno en condiciones estable a 0,5 rpm y procesando un flujo de arcilla caolinítica de 100 kg/h, se utiliza como trazador bolas de molino de 17 mm. Siguiendo la metodología experimental planteada anteriormente se alimentan al horno once bolas de molino (trazador) y se mide la masa total de bolas que sale de este en un mismo instante de tiempo. De igual forma a como fue descrito en el experimento uno la tabla 2.4 muestra el comportamiento de la concentración másica de trazador que abandona el horno en los diferentes instantes de tiempo, con su respectiva normalización. Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 33 Como resultado las bolas de acero demoraron más tiempo en salir del horno, comparado con el experimento uno, lo cual es lógico pues en este caso el horno poseía arcilla al ser introducido el trazador. También se aprecia un comportamiento no adecuado del trazador que no describe la trayectoria del material, por lo que el tiempo obtenido es más rápido que el tiempo real que transcurre desde la alimentación de arcilla caolinítica hasta la obtención de la arcilla calcinada. El comportamiento de la concentración del trazador a la salida frente al tiempo, ambos de forma adimensional (𝐶𝜃 versus 𝜃) se muestra en la figura 2.5. Tabla. 2.4. Resultados del experimento dos para determinar el tiempo de residencia con diferentes velocidades de rotación. Tiempo ti (s) Concentración de trazador Ci(g) Δ tiempo Ci* Δti ti* Ci* Δti E=C=Ci/Q Tiempo medio (�̅� ) Ɵ=ti/�̅� CƟ=E*Ɵ 0 0 6 0 0 0 4,299 0 0 6 121,7 11 1338,7 8032,2 0,007 - 1,396 0,010 17 243,4 15 3651 62067 0,015 - 3,955 0,059 32 121,7 22 2677,4 85676,8 0,007 - 7,444 0,056 54 121,7 3 365,1 19715,4 0,007 - 12,563 0,094 57 121,7 7 851,9 48558,3 0,007 - 13,260 0,099 64 243,4 21 5111,4 327129,6 0,015 - 14,889 0,222 85 121,7 18 2190,6 186201 0,007 - 19,774 0,148 103 121,7 1 121,7 12535,1 0,007 - 23,962 0,179 104 0 - 0 0 0 - 24,194 0 Figura 2.5 Curva RTD Experimento dos. Al finalizar esta etapa experimental podemos concluir que el trazador utilizado no es capaz de describir la trayectoria del material y por ende proporcionar un tiempo de residencia verídico. Por ello es necesaria la repetición de los experimentos utilizando un nuevo trazador con un comportamiento similar al material estudiado. Se propone operar con arcilla caolinítica teñida con Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 34 una pintura termoresistente o gravilla con una granulometría pequeña (2,00-3,00 mm) como trazador. Para determinar los posteriores parámetros operacionales en la presente investigación se trabajará con el tiempo de residencia estimado teóricamente, mostrado en la tabla 2.2. 2.3.3. Flujo de alimentación La Planta Experimental para la producción de LC3 para el diseño de pruebas a escala industrial concibe una capacidad de producción diaria de 8 toneladas de LC3/ día. A partir de este balance productivo se establece un grupo de concepciones para los cálculos experimentales. Los diferentes parámetros de diseño del horno se realizan a partir de la ley de transporte de material en el interior de un tubo rotatorio inclinado, dada por el US Bureau of Mines (Duda, 1977, Helver, 2019). De este modo el flujo de alimentación es calculado por la siguiente expresión: 𝐹𝑡 = 𝑚 𝑡𝑟 = 𝑉𝑢∗𝜌𝑚 𝑡𝑟 = 𝑉𝑡∗%𝑢∗𝜌𝑚 𝑡𝑟 (2.6) 𝐹𝑡 = 𝐿 ∗ 𝑟𝑖 2 ∗ 𝜋 ∗ %𝑢 ∗ 𝜌𝑚 𝑡𝑟 = 3,77𝑚 ∗ 0,30𝑚2 ∗ 𝜋 ∗ 0,11 ∗ 1345𝑘𝑔/𝑚3 74,5 𝑚𝑖𝑛 = 2,16𝑘𝑔/𝑚𝑖𝑛 = 129,90𝑘𝑔/ℎ Donde 𝐹𝑡: flujo de alimentación total (kg/h) 𝑚: masa (kg) 𝑡𝑟: tiempo de residencia teórico (min) 𝑉𝑙𝑙: volumen de llenado (m3) 𝜌𝑚: densidad del material (kg/m3) 𝐿: largo del horno (m) ri: Radio interno del horno (m) Utilizando la fórmula anterior y los tiempos calculados en la sección 2.2.2 para distintas velocidades de rotación es posible presentar la relación entre los diferentes tiempos de residencia y los flujos de alimentación necesarios (tabla 2.5): Tabla 2.5. Relación entre velocidad de rotación del horno, tiempos de residencia y los flujos de alimentación. Velocidad de rotación (rpm) 0,5 1 1,5 2,0 Flujo de alimentación (kg/h) 129,90 259,60 390,48 517,80 Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 35 2.4. Perfiles de temperatura 2.4.1. Perfil de temperatura exterior Para alcanzar las temperaturas ideales de la llama, descritas en la sección 1.5.1. del marco teórico, es necesario generar una combustión completa del combustible a utilizar, para esta investigación se trabajará con diésel. Los pasos a seguir para medir la temperatura exterior del horno son: 1. Asignar al horno rotatorio una velocidad de rotación cercana a las 0,5 rpm. 2. Imponer un flujo de combustible y aire conocido. 3. Tomar la temperatura de 14 puntos externos del horno, vistos en la figura 2.6 y detallados en la tabla 2.5, cada 20 minutos hasta llegar a un seudo estado estacionario (se considerará un seudo estado estacionario cuando hayan pasado 20 minutos entre toma de datos y este tenga una diferencia menor a 1% con los anteriores). Cabe destacar que en la figura 2.6 la llama se encuentra a la derecha y la alimentación a la izquierda. 4. Registrar los datos anotando el tiempo en que se realizaron y su respectiva posición fuera del horno. Este experimento se realiza para obtener la localización del máximo punto de temperatura dentro del horno. El perfil de temperatura externo del casco del horno manteniendo constante el aire, arrojó los resultados siguientes: Figura 2.6. Diagrama sobre la toma de muestra del perfil de temperatura externa, a la derecha se encuentra la llama y a la izquierda la alimentación. Tabla 2.5. Distancia en la toma de muestras y obtención del perfil de temperatura externo Posición 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Distancia (cm) 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 Temperatura (oC) 110 112,3 115,2 116,2 126 122,8 122,4 121 115 113,2 108,8 102,7 98,5 98,3 En la figura 2.7 se puede observar las tres zonas de reacción que existen en un horno rotatorio (entrada, calcinación, enfriamiento). Adicionalmente, a mayor flujo de diésel, mayor es la temperatura externa del casco. Esto se debe a la relación proporcional existente entre la Capítulo II. Evaluación de los parámetros operacionales del horno rotatorio 36 concentración de combustible, la temperatura del material y la transferencia de calor en el sistema. Al aumentar la temperatura del material, por conducción en las paredes internas del horno la temperatura del casco exterior aumentará a medida