Materiales pobres en calcio

Entre los materiales ya nombrados susceptibles de activación alcalina, metacaolín y cenizas volantes se incluyen en este grupo. Este epígrafe se centra en estas últimas al haber sido el material empleado en este TFG.

La ceniza volante se define por la norma UNE 83 415-87 como “el producto sólido y en estado de fina división procedente de carbón pulverizado en los hogares de centrales termoeléctricas y que es arrastrado por los gases del proceso y recuperado de los mismos en los filtros” (Figura 1.7).

36 | Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) Las cenizas volantes se producen en las centrales térmicas en que el carbón se usa en mayor o menor medida como combustible. Su producción se basa en los residuos no combustibles presentes en el carbón, del que entre el 5 y el 50% se recoge como este subproducto, dependiendo de factores como la naturaleza del carbón empleado o el rendimiento de la central.

En la Figura 1.8 se pueden observar las centrales termoeléctricas que operan en España, resaltada, Compostilla, de la cual de donde proceden las cenizas que se han utilizado en el presente TFG.

Figura 1.8. Centrales termoeléctricas españolas que emplean carbón como combustible

Las características de las cenizas volantes dependen del proceso de generación y de la naturaleza del carbón empleado. La temperatura de combustión influye en las partículas sólidas presentes en la fase gaseosa, pues cuanto mayor es esta temperatura, mayor cantidad de fase se tiene en estado fundido. Si se alcanzan temperaturas del orden de 1500-1700ᵒC, el material se encontrará completamente fundido. Aunque la tendencia es disminuir ésta, para controlar la producción de gases del tipo NOx, lo que provocará no sólo menor cantidad de material fundido (del orden del 20% a 1000ᵒC) sino también cambios en las características del material en suspensión. Se necesita alcanzar un compromiso ya que para la formación de las partículas silicoaluminosas esféricas se debe alcanzar una temperatura mínima.

Ruth García Calle | 37 La separación de las cenizas de los gases se puede realizar de diversos modos, por ejemplo el uso de filtros electrostáticos está favorecido si es posible la presencia de SO2 entre los gases de salida, que se deposite como sulfatos en los sólidos (Figura 1.9). Actualmente, con la disminución de emisiones gaseosas a la atmósfera se han mejorado los sistemas de separación y la calidad de las cenizas, pues se obtiene una mayor proporción de finos.

Figura 1.9. Representación esquemática de una central térmica

Otro factor que afecta a la calidad de la ceniza es la velocidad de enfriamiento, relacionada con la proporción de fases cristalinas. Cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento, mayor será la proporción de fases vítreas o amorfas en la ceniza y del mismo modo, su reactividad, pues se relacionan de forma directa, y por tanto, mayor calidad.

La composición global de las cenizas volantes puede ser muy variable ya que las diferentes partículas que las constituyen pueden diferir entre sí en aspectos como la composición química y mineralógica, el contenido vítreo, la proporción y tipo de fases cristalinas, la granulometría, la morfología y la proporción de los diferentes tipos de partículas. La estructura del vidrio en las cenizas, que supera el 70%, viene determinada por dos factores, la composición química y la historia térmica.

En la Tabla 1.2, se muestra la composición de las cenizas volantes obtenidas en algunas centrales térmicas españolas que emplean como combustible diferentes tipos de carbón (ver Figura 1.8).

Tabla 1.2. Composición cenizas volantes en algunas centrales térmicas españolas

Central SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3

Compostilla 51,1 27,5 6,8 2,6 2,2 1,1 2,9 2,3

Velilla 46,9 17,3 18,1 5,8 1,6 0,5 2,3 0,1

Teruel 47,5 24,6 18,6 3,5 1,0 0,4 2,5 0,4

38 | Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) Gráficamente, se pueden situar las composiciones, de los componentes principales, de las diferentes centrales en un diagrama ternario (Figura 1.10).

Figura 1.10. Diagrama ternario composición cenizas volantes de centrales térmicas españolas

Se pueden clasificar las cenizas volantes en dos tipos según el contenido en óxido de calcio. Cenizas volantes silíceas (tipo F): forman partículas esféricas (cenosferas) inertes y ligeras, que pueden contener otras menores en su interior (pleurosferas); compuestas principalmente por dióxido de silicio reactivo (SiO2) y óxido de aluminio (Al2O3). Pueden presentar una superficie exterior lisa o rugosa, dependiendo de si prima el óxido de calcio o el de hierro, respectivamente. Para considerar una ceniza volante perteneciente a esta categoría es necesario que no presente contenidos en CaO superior al 10,0% en peso, además la cal libre no será mayor del 1,0%p y la sílice será superior al 25%p (UNE-EN 197- 1:2011).

Ruth García Calle | 39 Cenizas volantes calcáreas (tipo C): sus componentes principales incluyen los de las silíceas y, además, óxido de calcio reactivo (CaO), como minoritarios presentan óxido de hierro entre otros (ver ceniza procedente de Alcudia, Tabla 1.3). No pueden tener un contenido inferior al 10,0% en peso en CaO (UNE-EN 197-1:2011) y, también, deben cumplir una estabilidad de volumen a ensayar según el método recogido en UNE-EN 196- 3:2005.

En este proyecto interesa que las cenizas a emplear cumplan los requisitos establecidos por Fernández-Jiménez y Palomo (2003a) para considerar su viabilidad en la activación alcalina:

 Contenidos inferiores al 5% de inquemados

 Contenidos de Fe2O3 inferiores al 10%

 Bajos contenidos en CaO

 Contenido en sílice reactiva del 40-50%

 Granulometría tal que el 80-90% de las partículas sea inferior a 45 μm

 Contenido en fase vítrea superior al 50%