Parametros energéticos de un horno continuo para la producción de cal a partir de la capacidad de producción

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(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

TESIS PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO

MECANICO

“PARAMETROS ENERGETICOS DE UN HORNO

CONTINUO PARA LA PRODUCCION DE CAL A PARTIR

DE LA CAPACIDAD DE PRODUCCION”

AUTOR

: Br

.

ANGEL MOISES CASTILLO GABRIEL

ASESOR: Dr. SEGUNDO SEIJAS VELASQUEZ

TRUJILLO - PERU

(2)

PRESENTACIÓN

SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:

De conformidad con lo estipulado por el reglamento de

grados y títulos de la escuela profesional de ingeniería mecánica de la

Universidad Nacional de Trujillo, presento a su consideración el presente trabajo de investigación titulado: “PARAMETROS ENÉRGETICOS DE UN

HORNO CONTINUO PARA LA PRODUCCION DE CAL A PARTIR DE LA CAPACIDAD DE PRODUCCION”

El presente trabajo se realizó con la finalidad de obtener los

parámetros energéticos de diseño de un horno para la elaboración de cal a

partir de la piedra caliza.

Para su ejecución fue necesaria la aplicación de los conocimientos básicos de

transferencia de calor, combustión y los lineamientos de la metodología de la

Investigación científica.

Trujillo, Noviembre del 2016

(3)

AGRADECIMIENTO

A todos mis profesores que en todos estos años me inculcaron sus

conocimientos, enseñanzas y orientaciones; en especial al Dr. Ing. Segundo

Seijas Velásquez, por su ayuda y recomendaciones en la realización y

culminación de este trabajo.

(4)

RESUMEN

El presente estudio tiene como propósito determinar los parámetros

energéticos de un horno para la fabricación de cal a partir de la capacidad de

producción.

Para efectuar las pruebas experimentales de calcinación de la piedra caliza se

dispuso de un horno vertical con revestimiento refractario con sistema de

combustión de antracita y de encendido primario por quemador de gas licuado

de petróleo, además de horno tipo mufla eléctrico de 3kW, para la evaluación

de la piedra caliza y la cal como producto. Se utilizó un horno vertical

experimental tipo tubular para pruebas de cocción de caliza, con refractario

interior y cubierta exterior de acero al carbono y empleo de carbón antracita

en sistema estacionario.

Se determinó experimetalmente que se requiere 0,115 kg de carbon por

kilogramo de oxido de calcio a producir, se requiere de 781,18 kcal por cada

kilogramo de oxido de calcio, con una eficiencia termica de 61,11%.

Asimismo, se requirió de 7,5 m³ de aire por cada kilogramo de carbón

empleado.

Palabras claves: Parámetros energéticos, horno de cal, capacidad de

(5)

ABSTRACT

The purpose of the present study is to determine the energy parameters of a

furnace for the production of lime from the production capacity.

In order to carry out the experimental calcination tests of limestone, a vertical

furnace with refractory lining with an anthracite combustion system and

primary ignition was used by liquefied petroleum gas burner, in addition to an

electric muffle furnace of 3kW, for the evaluation Limestone and lime as a

product. An experimental tubular type vertical furnace was used for limestone

firing tests, with internal refractory and carbon steel outer shell and anthracite

coal in a stationary system.

It was determined experimentally that 0.115 kg of carbon per kilogram of

calcium oxide to be produced is required, 781.18 kcal is required for each

kilogram of calcium oxide, with a thermal efficiency of 61.11%.

In addition, 7.5 m³ of air was required for each kilogram of coal used.

(6)

INTRODUCCION

La piedra caliza es usada, directamente en su forma pura, o indirectamente

como cal, en muchas industrias. La producción de cal es uno de los procesos

químicos más antiguo conocido por el hombre, data de civilizaciones

ancestrales como Grecia, Roma y Egipto. Hoy, la cal es usada en la

producción de cemento, jabón, acero, caucho, productos farmacéuticos,

barniz, insecticidas, alimentos para planta, alimentos para animales, papel,

yeso. Muchos tipos de productos, producidos alrededor del mundo, son, en

una forma u otra, producidos empleando cal.1,2

La producción de cal es una parte integral de cualquier sociedad moderna.

Sin embargo, muchas regiones en nuestro país y departamento usan cal

importada de otras naciones del mundo, a pesar del hecho que la producción

local sería menos cara y se dispone de la materia prima principalmente en la

región La libertad; esto se debe principalmente a que no se cuenta con la

tecnología apropiada principalmente en cuanto al sistema energético del

Horno, en el que no se obtiene la temperatura adecuada para producir la

reacción química de la caliza y transformarla en oxido de calcio y anhídrido

carbónico

Algunas pequeñas empresas iniciaron la elaboración de oxido de calcio

(7)

producto final, por lo que optaron por vender la caliza solamente molida

(materia prima para alimentación de aves).

Existen algunas compañías ubicadas en países alrededor del mundo tales

como Taiwán y la República de China. Las cuales emplean diferentes

métodos y tipos de maquinaria que pueden ser usados para producir cal, pero

son de costos altamente prohibitivos y no disponibles para las empresas que

actualmente realizan esta actividad industrial.

Entonces, está claro que no es práctico para una región como la nuestra,

importar cal si puede elaborar en forma barata, fácil y con beneficios para la

zona donde se desarrolla, construyendo hornos modernos fabricados con

tecnología propia (desarrollo de tecnología endógena) empleando materiales

de nuestra región sin necesidad de importarlos.

Como antecedentes relacionados al tema se revisaron los trabajos de

Vargas (2011) en su tesis;”Modelización de un Proceso de Calcinación en un

Horno Rotatorio, los autores describen un modelo simple para la calcinación

del carbonato de calcio en oxido de calcio, por medio de un horno rotatorio

expresado como una serie de reactores perfectamente agitados e

interconectados con zonas muertas. La cinética de la reacción fue

determinada experimentalmente y la transferencia de calor fue determinada

por mediciones en una fábrica de cemento. La distribución de tiempos de

residencia, así como las condiciones del proceso y el rendimiento de la

(8)

permitió ser utilizado para determinar un óptimo, nivel de costos, eficiencia

energética u otro, sin embargo los autores estiman que todavía falta

determinar el efecto que tienen las variables operativas como ser velocidad de

rotación, ángulo de inclinación, carga a ser calcinada, etc. sobre los

parámetros del modelo. La correlación existente entre las variables operativas

y los parámetros que describen el modelo deberá ser determinada por

estudios experimentales con trazadores en diferentes condiciones operativas. Jaines (2011): Efectuó un trabajo de investigación titulado, “Puesta en marcha

de un Horno rotatorio para la calcinación de yeso en la empresa Procalco”: el

autor estableció una mejora en los costos operativos y en el diseño tomando

como base un horno rotatorio de la empresa y desarrollo otro diseño con

mayor productividad y calidad del yeso hidratado y en condiciones mas

adecuadas.3

Peña (2012): mostró en su investigación el diseño de una planta móvil de

trituración de caliza después de su calcinación para una capacidad de 50

TN/h, realizado para la Pontificia Universidad Católica del Perú.

Destaco la importancia de estas industrias, principalmente las plantas de

trituración de caliza que actualmente buscan mejorar sus eficiencias, reducir

sus tiempos de producción, mejorar la disponibilidad de materias primas,

materiales y equipos; y con esto reducir sus costos de producción.4

Gallegos (2013) realizó un estudio para la Universidad de las Américas en

(9)

cual desarrolla de forma eficiente, mostrando todos los beneficios y la

abundancia de este material en esa parte de su país la cual debe ser

explotada diseñando el proceso de calcinación, teniendo en cuenta las

características del horno, determinando su capacidad y parámetros de

diseño.5

Justificación

Justificación metodológica:

El presente trabajo propone una metodología práctica, sencilla y sistematizada

para evaluar los parámetros energéticos como base del diseño de hornos para la

industria calcárea y una nueva propuesta de mejoramiento teniendo en cuenta su

capacidad de producción.

Justificación económica

El presente estudio constituye una propuesta para obtener los parámetros

energéticos como base para la construcción de hornos para la producción de cal

con bajo costo de inversión teniendo en cuenta que para su construcción se

emplearía solamente materiales disponibles en nuestro país; empleando como

combustible carbón antracita disponible en la zona de Simbal departamento de

La libertad y como consecuencia de ello un menor costo de energía para el

funcionamiento del horno teniendo en cuenta que el costo del carbón antracita es

(10)

La implementación de hornos de cal en la zona permitirá dinamizar la

economía, teniendo en cuenta que se producirá cal que cumple con los

estándares de calidad.

Justificación medioambiental

Toda vez que se disminuya el empleo de energía en la producción de un

determinado bien se disminuirá el impacto ambiental negativo; el presente

trabajo permitirá optimizar el empleo de la energía térmica en el horno

mediante una adecuada regulación de los parámetros energéticos obteniendo

una alta eficiencia térmica en el diseño.

Formulación del Problema

¿Qué efecto tiene la capacidad de producción de cal en los parámetros

energéticos para el diseño del horno tipo continuo?

Hipótesis

La capacidad de producción de cal tiene efecto directo en los parámetros

(11)

Objetivos

Objetivo General

Determinar el efecto de la capacidad de producción de cal en los parámetros

energéticos para el diseño de horno de tipo continuo.

Objetivos específicos

Objetivo 1: Determinar el requerimiento de combustible por peso de CaO

producida en horno continuo.

Objetivo 2: Determinar el requerimiento de aire para la combustión del proceso

de elaboración de CaO

Objetivo 3: Determinar el requerimiento de energía calorífica para la producción

de CaO.

(12)

CAPITULO I

MARCO TEÓRICO

1.1 Combustión

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de

una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el

oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que

es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que esta en

contacto con la sustancia combustible.

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el

oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno,

llamadacomburente, siendo el oxígeno del aire atmosférico el comburente

mas habitual.

La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas

entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en

forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante

destacar que el combustible solo reacciona con el oxigeno y no con el

nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire

pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar. Entre

las sustancias mas comunes que se pueden encontrar en los productos o

humos de la reacción se encuentran el CO2 , H2O como vapor de agua ,

(13)

Tipos de combustión

De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas

pueden ser de distintos tipos:

Combustión completa

Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el

máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia

de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

Combustión incompleta

Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay

presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la

reacción.

Combustión estequiométrica o teórica

Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire

para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción.

En este tipo de combustión no hay presencia de oxigeno en los humos,

debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.

Combustión con exceso de aire

Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al

mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión

(14)

reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxígeno

en los gases de combustión.

La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer

reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.

Combustión con defecto de aire

Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el

mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la

presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de

reacción.

Combustibles:

Podemos clasificar a los combustibles según su origen en comerciales

y especiales.

 Combustibles comerciales

 Naturales o primarios

 Sólidos

(15)

Tabla 1.1 Combustibles comerciales

Combustibles comerciales naturales o primarios

Solidos Líquidos Gases

Carbón, madera, biomasa Petróleo y sus derivados Gas natural

Algunos metales ( costo muy elevado)

--- Gas licuado de petróleo (GLP).

Uranio ( elemento radiactivo que genera la

fisión en un reactor nuclear)

--- ---

Combustibles comerciales artificiales o secundarios

Se denomina combustible fósil al que proviene de restos orgánicos

vegetales y animales y se extrae de la naturaleza. Ellos son el carbón,

el petróleo y el gas natural. El petróleo es un combustible pero

generalmente no se lo utiliza como tal directamente, sino que se lo

caracteriza como una excelente materia prima para obtener, mediante

su refinación y tratamiento, otras sustancias de mayor importancia

industrial como los GLP, naftas, gas-oil, fuel-oil, y otros productos.

Coque ( destilado del carbón de hulla)

Alcoholes ( Destilados de la biomasa)

Destilados de la madera

Carbón vegetal ( destilado de la madera a 250oC

Aceites de nafta y benzol (destilados del petróleo)

Destilados de la hulla

Aglomerado de hulla --- Destilados de naftas de petróleo

Biomasa residual (basura y residuos urbanos,

estiércol etc.)

(16)

Propiedades de los combustibles

Las propiedades más características de un combustible son las

siguientes:

Composición de los combustibles

Conocer la composición de un combustible es muy importante para

poder determinar los parámetros característicos estequiométricos de la

reacción de combustión y conocer si en el existen sustancias que

puedan tener importancia posterior en cuanto a la contaminación o

nocividad de los productos de reacción.

La forma más común de indicar la composición de un combustible

gaseoso es como porcentaje en volumen de cada uno de sus

componentes en condiciones normales.

Para un combustible gaseoso tipo hidrocarburo, la fórmula general es :

CmHn + [(4m + n)/4]O2 ... m CO2 + (n/2) H2O

y sus componentes mas habituales son :

CO2 , CO , H2 , O2 , N2 , SO2 SH2 y H2O como vapor

Si Xi es la fracción molar, se expresara como:

[ Xi ] = kmol del componente “i” / kmol de combustible y debe cumplirse

(17)

Para un combustible líquido o sólido, la forma mas común de indicar la

composición es expresar la cantidad de C, H , S , N , O , H2O y cenizas

en porcentaje de masa referida a un kg de combustible.

Si mi es la masa del componente i se expresara como: [ mi ] = kg del

componente i / kg de combustible con cenizas y deberá cumplirse que

si hay p componentes se expresa:

Esta expresión se denomina también composición en "base húmeda"

Para expresar la composición en base seca será:

Siendo ma la fracción másica del agua

Como ejemplo la tabla 1.1 expresa la composición de un gas natural

(18)

Tabla 1.2 Composición de un Gas Natural

I Xi

N2 0.0071

CH4 0.8425

C2H6 0.1477

C3H8 0.0025

i C4H10 * 0.0001

n C4H10 * 0.0001

Total 1,000

*Isobutano

*Butano normal

Poder Calorífico

El poder calorífico (PC) de un combustible es la cantidad de energía

desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad

empleada de combustible (kg, kmol, m3)

De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de

reacción se puede dividir en:

a. Poder calorífico Superior (PCS)

Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa

de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida

(19)

b. Poder calorífico Inferior (PCI)

Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa

de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de

vapor.

Viscosidad

La viscosidad tiene gran importancia en los combustibles líquidos a

efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es

experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los

distintos combustibles industriales líquidos.

Densidad

Generalmente se determina experimentalmente y para el caso de los

combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la

práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas

combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga

en un local cerrado.

La densidad del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3.

Para los combustibles líquidos, en forma aproximada se puede utilizar

la siguiente fórmula:

Densidad = 250 + 9,13 mc + mh expresada en kg / m3 a 15 ºC

(20)

También es muy frecuente emplear una unidad convencional llamada

"G" que se mide en ºAPI y se calcula como

G = (141,5 / densidad) - 131,5 con la densidad en kg/ m3.

Limite de inflamabilidad

Esta propiedad es característica a los combustibles gaseosos y

establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca

la combustión, indicando un límite superior y uno inferior.

Ejemplo:

PROPANO Límite inferior: 2,4 % Limite superior: 9,5 %.

Punto de inflamación

Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de

combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima

necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación.

El punto de inflamación depende del comburente, por lo que su valor

no es el mismo si se utiliza oxígeno o aire.

Una vez iniciada la reacción, el calor mantendrá la temperatura por

encima de la inflamación y la reacción continuara hasta agotarse el

combustible.

Otra temperatura importante es la temperatura de combustión o de

llama máxima, que se alcanza en la combustión. En la bibliografía

(21)

Tabla 1.3 Combustión del Butano

Temperatura de Inflamación Temperatura de combustión

En aire 420 ºC 1960 ºC

En oxígeno 280 ºC 2790 ºC

Comburentes

Como ya se ha mencionado anteriormente, el comburente es el agente

que aporta el oxigeno a una reacción de combustión y la fuente mas usual

y económica de oxígeno disponible es el aire.

Si dos reactivos participan en una reacción y uno de ellos es

considerablemente más costoso que el otro, es muy común que el

reactivo más económico se utilice en exceso con respecto al reactivo más

caro. Esto se justifica a efecto de aumentar la conversión del reactivo más

caro a expensas del costo del reactivo en exceso. En consecuencia, como

el reactivo mas económico es el aire, que además es gratis, las

reacciones de combustión se realizan invariablemente con más aire del

que se necesita, para asegurarse en proporcionar oxigeno en cantidad

estequiométrica al combustible.

Propiedades y definiciones

En el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustión

(22)

Aire teórico o requerido

Es la cantidad de aire estequiometrica que contiene el oxígeno teórico.

Oxígeno teórico

Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar

(para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la

combustión completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo

el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida

para formar H2O.

Exceso de aire

Es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o requerido para

una combustión completa.

Para su cálculo pueden emplearse las siguientes expresiones

equivalentes:

% de exceso de aire = [(O2 que entra al proceso - O2 ideal requerido) / O2

ideal requerido] x 100

Para los cálculos de aire teórico y aire en exceso deben tenerse en claro

los siguientes conceptos:

El aire teórico requerido para quemar una cierta cantidad de combustible

no depende de la cantidad que realmente se quema. El combustible

(23)

formar CO y CO2 pero el aire teórico es aquel que se requeriría para

reaccionar con todo el combustible para formar solo CO2

El valor del porcentaje de aire en exceso depende solo del aire teórico y

de la velocidad de alimentación de aire y no de cuanto O2 se consume en

el reactor o bien de que la combustión sea completa o parcial.

Composición del aire

El aire atmosférico presenta la siguiente composición según la tabla 1.3.

Tabla 1.3 Composición del aire atmosférico

En la mayoría de los cálculos de combustión es aceptable utilizar esta

composición simplificada a 79 % de N2 y 21 % de O2 en base molar.

Así un kmol de aire contiene 0,21 kmol de oxígeno y 0,79 kmol de

nitrógeno, siendo la relación de 79/21 = 3,76 kmol de N2 / kmol de O2 o

también puede expresarse como la cantidad de 4,76 kmol de aire / kmol

Componente % en

volumen

usual % en peso Usual

Nitrógeno 78,03 79 75,45 76,8 Oxígeno 20,99 21 23,20 23,2 Argón 0,94 1,30

CO2 0,03 0,05

gases varios 0,01

(24)

de oxigeno que equivale a la cantidad de aire necesaria para contener 1

kmol de oxígeno.

En términos de composiciones de masa o kilogramos, estas cantidades

son diferentes: 1 kg de aire contiene 0,233 kg. de oxigeno y 0,766 kg. de

nitrógeno y la cantidad de aire necesaria para contener 1 kg. de oxigeno

es de 4,292 kg. de aire.

Composición en base seca o análisis de Orsat:

Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de

combustión sin incluir el vapor de agua.

Composición en base húmeda:

Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de

combustión incluyendo el vapor de agua.

La composición expresada mediante el Análisis de Orsat hace referencia

a un tipo de aparato de análisis de gases denominado Orsat en el que los

volúmenes de los gases respectivos se miden sobre y en equilibrio con

agua.

El flujo de materiales que entra y sale de un sistema delimitado, de

acuerdo a la ley de la conservación de la masa es:

[Acumulación] = [Entradas] - [Salidas] + [Generación o Consumo en el

(25)

Balance energético en horno de cal

El balance energético de un horno varía fundamentalmente de un horno

continuo a uno intermitente. En los hornos continuos interviene la

producción en kg/h o en ton/h, mientras que en los intermitentes es más

importante la carga introducida en cada operación en kg o en ton.

La temperatura en los hornos continuos es prácticamente constante en

cada zona a lo largo del tiempo, y la temperatura de la carga varia a lo

largo del horno desde la entrada hasta la salida. En los hornos

intermitentes la temperatura de la carga varía a lo largo del tiempo, pero

se mantiene relativamente constante en todo el horno en un instante

dado.

Horno intermitente

Respecto a los hornos intermitentes deben distinguirse:

 Los procesos en los que la temperatura de regulación del horno

permanece prácticamente constante.

 Los procesos en los que la temperatura del horno sigue un ciclo de

calentamiento, mantenimiento y enfriamiento sin extraer la carga del

interior del horno.

En los primeros, al introducir la carga, baja, evidentemente, la temperatura

del horno, se enfría el revestimiento, aunque cede su calor a la carga,

(26)

calentar el revestimiento nuevamente y la carga hasta la temperatura de

regulación del horno, cuyo valor de consigna ha permanecido constante.

En los segundos, al introducir la carga, el horno está a baja temperatura y

se calientan simultáneamente la carga y el revestimiento con todos los

elementos del interior del horno. Después de un periodo de

mantenimiento a la temperatura fijada, la carga se enfría en el interior del

horno juntamente con el revestimiento. Es fundamental, por tanto, el calor

absorbido por el revestimiento, durante el calentamiento, y cedido en el

enfriamiento.

Debe aclararse que el concepto de temperatura del horno es bastante

convencional:

 Los elementos calefactores (llamas o resistencias eléctricas

conectadas) tendrán la mayor temperatura.

 La carga, incluso al final del periodo de calentamiento, estará a menor

temperatura.

 El revestimiento tendrá probablemente, una temperatura mayor a la de

la carga e inferior a la de los elementos calefactores. Un termopar con su

caña de protección señalara una temperatura intermedia entre las tres

(27)

Componentes básicos del balance energético

El consumo de energía de un proceso en un horno industrial es una de

sus características principales. Se determina calculando los componentes

del balance energético, cuando se trata del diseño, o midiéndolos en su

funcionamiento real, cuando se trata de un horno construido.

El balance energético se establece tomando como base la producción

horaria, en los hornos continuos, y el ciclo completo de una carga, en los

hornos intermitentes. Sin embargo, es frecuente que muchos hornos

continuos funcionen únicamente durante uno o dos turnos de trabajo al

día, por lo que las perdidas de calor, durante las horas de parada del

horno, deben también tenerse en cuenta. En todo balance energético es

fundamental que las condiciones al final del periodo en que se hacen las

mediciones sean las mismas que al comienzo. Por ello, en los hornos

intermitentes las mediciones cubren una carga completa o un ciclo

completo, y en los hornos continuos las condiciones de trabajo deben ser

lo suficientemente constantes como para que las pequeñas variaciones

que se produzcan sean despreciables.

Entre los componentes de un balance energético se distinguen los que

suponen aportación de calor al proceso y los que absorben calor del

(28)

Componentes del balance energético

a) Aportación de calor

Por las resistencias de calentamiento. Durante el calentamiento de la

carga las resistencias están conectadas todo el tiempo, por lo que aportan

al horno su potencia nominal, hasta que la temperatura llega a la de

regulación, instante a partir del cual se reduce el consumo de

combustible. Esto se produce utilizando energía proporcionada por el

combustible para calentar el horno, cabe mencionar que la temperatura

no se regula tan fácilmente empleando combustibles fósiles. En los

hornos provistos de ventiladores de recirculación debe tenerse en cuenta

la energía aportada por dichos ventiladores al interior del horno, que es la

energía absorbida en el eje del ventilador y transformada íntegramente en

calor, dicha energía disminuye sensiblemente al aumentar la temperatura

del horno.

b) Calor de reacciones exotérmicas.

En hornos de recalentar para la industria de la cal; se incluye aquí el calor

producido en la oxidación de la carga que da lugar a la formación de la

cascarilla.

c) Absorción de calor

- Calor útil requerido para calentar la carga.

(29)

- Calor a contenedores y soportes de carga.

- Calor de reacciones endotérmicas de la caliza formando oxido de calcio

y CO2. Es tipico de los hornos de calcinación.

d) Perdidas de calor por conducción a través de las paredes

- Pérdidas de calor por aberturas

- Pérdidas de calor por el agua de refrigeración (en caso de usarse)

- Pérdidas del calor acumulado en el revestimiento.

- Pérdidas de calor incontroladas o que resultan imposibles de medición.

Balance energético en funcionamiento estable

Denominamos funcionamiento estable de un horno al que es repetitivo a

lo largo del tiempo en cuanto a las condiciones de trabajo, sin paradas o

cambios importantes en el proceso, sobre todo de temperatura. En un

horno continuo supone constancia en las cargas, temperaturas de

regulación de las diferentes zonas, velocidades de avance o tiempos de

tratamientos constantes a lo largo de un periodo prolongado sin paradas

durante la noche, fines de semana, etc.

En un horno discontinuo, que opera por ciclos con enfriamiento del horno,

dichos ciclos se repiten sucesivamente sin cambios en las cargas y

temperaturas de proceso. Tiene especial importancia el calor almacenado

en el revestimiento, del cual una parte importante se pierde en cada ciclo.

(30)

constantes las temperaturas del proceso, siendo irrelevantes en el

balance energético las pérdidas por calor almacenado.

Funcionamiento de un horno de cal

Se debe verificar que:

Calor aportado = Calor absorbido

Indico a continuación dos balances energéticos para un horno continuo y

otro discontinuo.

Horno continúo para cal

 Potencia a la carga útil... qu = 58%

 Potencia a las bandejas... qct = 20%

 Pérdida por las paredes... qp = 11%

 Perdida por las puertas... qr = 7%

 Calentamiento de la atmósfera... qa = 4%

 Potencia media total... pm = 100%

Horno intermitente.

 Energía útil a la carga... qu = 50%

 Energía a los contenedores...qct = 20%

 Pérdidas por las paredes...qp = 26,8%

 Perdidas por radiación en desplazamiento... qr = 2%

(31)

 Consumo total... ct = 100%

Tanto en hornos continuos como intermitentes, no deben olvidarse dos

componentes del consumo energético:

 Calor de vaporización de los líquidos que se introduzcan en el horno

por requerimientos del proceso y de la posterior disociación del líquido

en componentes químicos más elementales.

 Calor de vaporización del agua o líquido arrastrado por las piezas de un

proceso anterior.

Balance energético en funcionamiento real

El balance energético en funcionamiento estable (producción nominal del

horno sin variar las condiciones de trabajo) es aplicable a unos periodos

no muy extendidos en el tiempo, ya que en su funcionamiento real es

frecuente:

 Un cambio en las condiciones del proceso.

 Operar con diferentes cargas o producciones de trabajo.

 Realizar paradas por: modificaciones en los procesos posteriores al

horno, exigencias de mantenimiento, paradas en las que el horno se

desconecta o se mantiene a temperaturas reducidas, etc.

Un cambio de los parámetros de funcionamiento del horno puede suponer

un considerable aumento de la energía consumida. Si es preciso elevar

(32)

horno, es necesario, por una parte calentar el horno a las mayores

temperaturas, lo que requiere energía, y además parar la producción del

horno hasta que se alcance el nuevo régimen, lo que da lugar a perdidas

de calor sin producción. La energía requerida para calentar el horno y las

perdidas de calor, durante el tiempo de calentamiento sin producción,

pueden elevar considerablemente el consumo medio.

Si el horno va a operar a un régimen de temperaturas inferior al anterior,

es preciso destinar un tiempo de enfriamiento sin producción, durante el

cual las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes y que

deberán tenerse en cuenta en el balance energético correspondiente.

Los tiempos de calentamiento o enfriamiento antes citados son reducidos

en hornos con aislamientos a base de fibras cerámicas, pero pueden ser

de varias horas cuando se han utilizados ladrillos u hormigones

refractarios y aislantes.

El consumo en los periodos de mantenimiento a temperatura tiene una

gran importancia en el consumo energético medio correspondiente a un

periodo prolongado.

Además, deben considerarse los períodos de parada total, a los que sigue

un calentamiento del horno hasta su puesta a temperatura de régimen

que exige una gran cantidad de energía y que, para evitar daños en el

revestimiento a causa de la dilatación que sufre el revestimiento al

(33)

Es frecuente que el calculo del balance energético en funcionamiento

estable se haga con meticulosidad, desglosando en detalle todos sus

componentes, mientras que el calculo de los consumos energéticos en los

periodos de mantenimiento y de parada parcial o total se realice de una

forma aproximada y poco minuciosa, lo que puede conducir a una

estimación del consumo energético medio muy inferior al real. Es cierto

que el cálculo de los consumos en los periodos de calentamiento del

horno, es complejo y requiere una cierta experiencia deducida de

experiencias anteriores, pero es muy peligroso deducir cifras de consumo

sin cálculos adecuados, ya que los errores pueden ser muy importantes

cuantitativamente.

Descripción del procesamiento de la cal

a. Obtención de piedra caliza: Comprende todos los procesos que se

realizan en la cantera a partir de los cuales se obtiene la piedra caliza,

materia prima de este proceso. Dichos procesos consisten en:

- Estudios geológicos mineros, en los que se obtiene la información

geológica y geoquímica de las áreas a explotar.

- Extracción de la piedra caliza, que consiste en extraer la materia

(34)

Durante esta etapa se pone especial atención en controlar la

composición química, granulometría y humedad de la materia prima,

que es la piedra caliza.

b. Preparación de la piedra: Las piedras de cal minadas o

desenterradas son aplastadas en rocas de tamaño más pequeño por

una carrillera trituradora y luego es alimentada a tres cubiertas de

filtrado por vibración la cual remueve cualquier fragmento grande o

pequeño según el tamaño deseado.

c. Después que han sido filtrados, las piedras de cal son pesadas en

una correa transportadora con balanzas construidas, como cuando

este es transportado en una grúa de salto.6

d. Las piedras de cal y el coque son elevadas a la parte superior del

horno vertical donde son descargados.

e. Calcinación: Las piedras calizas son desfragmentadas térmicamente

en un horno donde la temperatura varía de 925 a 1340ºC siendo

mantenidas con el fin de alcanzar la temperatura de disociación de los

carbonatos encontrados en las piedras de caliza. El dióxido de

carbono en el horno de gas es soplado dentro de un sistema de

(35)

f. Enfriamiento: Posteriormente se somete a un proceso de enfriamiento

para que la cal pueda ser manejada y los gases calientes regresan al

horno como aire secundario. La cal viva producida en el horno es

descargada en un mandil transportador el cual los lleva hacia un

martillo de triturado.

g. Transporte: Después que ha sido pulverizado por el martillo de

triturado, este es descargado en una tolva elevadora para ser

transportada al depósito de almacenamiento de la cal viva.

h. Inspección: Se inspecciona cuidadosamente las muestras para evitar

núcleos o piezas de roca sin calcinar.

La figura1.1 presenta el diagrama del proceso considerando las

respectivas operaciones para la obtención final del producto: oxido de

calcio; para ello se inicia con el pesado respectivo de la caliza y el

combustible carbón para su horneado respectivo , indicando en cada

operación los requerimientos de calidad realizado mediante las

(36)

Figura 1.1: Flujograma del proceso productivo de la cal

(37)

Hornos rotativos:

Son hornos continuos que consisten en un gran cilindro de acero, (figura 1.2)

formado por secciones soldadas y cuyo interior está recubierto con 15-24 cm

de ladrillo refractario. Se instalan con una inclinación de 3-5º sobre rodillos

que le permiten girar a velocidades entre 1- 2 rpm.

Figura 1.2: Horno Rotativo7

La roca caliza se alimenta por el extremo de mayor nivel desde el

precalentador ( figura 1.2) o desde silos y es descargada como cal viva hacia

el enfriador por el extremo más bajo. Se introduce aire frío en el enfriador y

desde ahí a la zona de calcinación del horno cercana al extremo de descarga

(38)

aire y los gases calientes son aspirados en contracorriente del flujo de

alimentación del horno hacia el extremo de carga donde proveen de calor

recuperativo para el horno. Los hornos pueden operar con carbón

pulverizado, gas o fuel-oil. Solamente el 10% del horno se encuentra lleno a

medida que la alimentación cae lentamente a través del mismo. Los tamaños

de alimentación varían desde 0,625-6,25 cm, pero la mayoría de las plantas

de hornos rotativos usan una granulometría más restrictiva de 0,625-1.88 cm,

1,88-3.75 cm, etc.

La figura 1.3 se muestra un sistema de recuperación de calor para el

precalentamiento de la caliza.

(39)

Los hornos rotativos tienen la mayor producción horaria, la mejor y más

uniforme calidad. Sin embargo, existen algunas desventajas, tales como el

elevado capital de inversión, el elevado consumo de energía promedio, la falta

de flexibilidad en plantas único horno, y el sistema más complicado y costoso

de recolección de polvos.

El consumo energético varía ampliamente desde 6,4 hasta 9,3 GJ/tn. El valor

inferior se obtiene en hornos con precalentadores avanzados, accesorios

internos, y sistema de filtros de bolsa. El valor superior corresponde a

antiguos hornos de baja capacidad sin precalentador y con pocos accesorios

internos. De esos valores, el 90% corresponde al combustible y el 10% a

electricidad, principalmente de la recolección de polvos. El promedio de

polvos producidos es del 10% de la alimentación o aproximadamente 20 kg/tn

de cal, considerando una relación másica caliza a cal de 2. El sistema

primario de recolección de polvos consiste en múltiples ciclones que atrapan

el 85% del total de polvos. De los sistemas secundarios en uso, los filtros de

bolsas son los predominantes, seguido de lavadores con agua, precipitadores

electrostáticos, y lechos filtrantes de grava.

Su principal ventaja es que producen cal de alta calidad con niveles bajos de

CaCO3 y azufre y alta reactividad, cuando se queman combustibles más

económicos. Sus capacidades típicas rondan las 1000-1500 ton/día con un

(40)

Figura 1.4 Sistema Primario de Recolección de Polvos de cal7

Figura 1.5 Sistema primario de recolección de polvos en el

(41)

Figura 1.6 Sistema primario de recolección de polvos en el

proceso de elaboración de cal.7

1.2 Hornos verticales:

Existen varios tipos y diseños con amplia variabilidad de eficiencia. Todos

estos hornos tienen 3 zonas imaginarias que se muestran en la figura

adjunta.

En la zona de precalentamiento, los gases de escape calientan la roca,

preparando la calcinación en la zona adyacente. La zona de calcinación

es la cámara de calcinación donde ocurre el 95% del proceso. La porción

inferior de esta zona se conoce como zona de terminación. Es allí donde

(42)

Figura 1.8. Horno vertical para calcinación de cal7

El aire frío ingresa a la zona de enfriamiento desde la base del horno ya sea

por tiro natural, inducido o forzado y fluye en contracorriente mientras que la

cal desciende a través del horno. El aire enfría la cal para ser descargada en

cintas transportadoras que se encuentran abajo, y recupera mucho calor de la

cal caliente y luego actúa como aire secundario en la zona de calcinación.

Las capacidades típicas están entre 600-800 ton/día y sus consumos entre

4,2 y 4,6 GJ/ton de cal. Se estima que el 5% del consumo es energía

eléctrica. El tiempo de residencia del horno clásico de tiro vertical es de

(43)

Los hornos verticales más eficientes son los hornos regenerativos de flujo

paralelo y los hornos con doble inclinación (figuras 1.6 y 1.9)

Los hornos de flujo paralelo consisten en dos o tres tiros verticales

independientes dentro de una gran carcasa revestida interiormente con

refractarios.

La operación consiste en dos etapas iguales de alrededor 10-15 min cada

una. En la primera etapa, el combustible es inyectado a través de las lanzas

en el tiro vertical 1 y se quema con el aire de combustión. El calor liberado es

parcialmente absorbido por la reacción de calcinación de caliza en el tiro

vertical 1. Se introduce aire en la base de cada tiro para enfriar la cal. El aire

del tiro 1 se mezcla con los gases de combustión, incluyendo el dióxido de

carbono. La mezcla pasa a través del ducto cruzado hacia el tiro vertical 2, a

una temperatura de alrededor de 1050 ºC. En el tiro 2, los gases del tiro 1 se

mezclan con el aire refrigerante del tiro 2 y suben. Al hacer esto, calientan la

roca en la zona de precalentamiento de ese tiro.

Durante la segunda etapa de operación, se aplica lo contrario. Se agregan las

mismas cantidades de combustible y de aire de combustión al tiro vertical 2.

Los gases de combustión junto con el aire refrigerante suben a través del tiro

1 calentando la roca en la zona de precalentamiento de dicho tiro. El tiempo

(44)

Los dos principios de la operación son:

 La roca empacada en la zona de precalentamiento de cada tiro actúa

como un intercambiador de calor regenerativo con el fin de precalentar

la roca a la temperatura de calcinación. El calor excedente de los

gases se transfiere a la roca del tiro 2 durante la primera etapa y luego

se transfiere de la roca al aire de combustión en la segunda etapa.

Como resultado, el aire de combustión se precaliente hasta cerca de

800 ºC. El calor neto utilizado en el horno es de aproximadamente 3,7

GJ/ton de cal.

 La calcinación de la piedra caliza se completa al nivel del ducto

cruzado a temperaturas moderadas de alrededor de 1100 ºC. Esto

favorece la producción de cal de alta reactividad, que de ser necesario,

se produce con un bajo contenido de CaCO3. El horno acepta roca con

un tamaño superior de 5-12 cm, y puede utilizar combustibles

(45)

Figura 1.8 Horno Vertical para cal 8.

(46)

Los hornos con doble inclinación son esencialmente rectangulares en la

sección transversal pero incorporan dos secciones inclinadas en la zona de

calcinación. Opuesto a cada sección inclinada, se encuentran arcos que crean

espacios en los cuales el combustible y el aire de combustión precalentado se

queman mediante tres cámaras de combustión. El aire refrigerante ingresa

por la base del

horno y se precalienta. Parte de este, se extrae del horno y se re-inyecta en

las cámaras de combustión. El camino tortuoso que deben realizar los gases

y la carga asegura una eficiente distribución del calor. Estos hornos aceptan

roca con un tamaño máximo de 4 a 10 cm. Pueden producir, cal de bajo

carbonato con un uso neto de calor de alrededor de 4,3 GJ/ton de cal. La

mayoría de estos hornos operan con combustibles gaseosos o líquidos,

incluyendo propano, o en todo caso sólido como carbón antracita.

(47)

CAPITULO II

MATERIAL Y MÉTODO

2.1 Material de estudio: Oxido de calcio (CaO)

Sus propiedades químicas son: 9

- Peso molecular : 56 kmol ⁄ kg - Densidad relativa : 3,35 g ⁄ cm3 - Punto de fusión : 2570 ºC

- Estructura : Hexagonal - cubica centrada en cuerpo (BCC) - Estado : polvo de color blanco, incoloro

- Índice de refracción : 1,837 (adimensional)

- Solubilidad: Muy soluble en agua, insoluble en alcohol.

2.2. Equipos de laboratorio

- Horno vertical experimental tipo tubular para pruebas piloto de cocción de caliza, con refractario interior y cubierta exterior de acero al

carbono y empleo de carbón antracita.

- Horno eléctrico tipo mufla de 3 kW de potencia.

2.3 Instrumentos de control

 Pirómetro o termocúpla de rayos infrarrojos tipo K

(48)

2.4. Método a aplicar

Experimentalde unasola casilla

El método general a emplear es: Cuantitativo;

Diseño de tipo descriptivo; de análisis y síntesis.

2.5. Variables del problema

Variable independiente: Capacidad de producción (ton de cal ⁄ h)

Variable dependiente: Parámetros energéticos

Indicadores:

 Consumo de energía calorífica: (kJ / ton de cal )

 Eficiencia de combustión (%)

 Volumen de horno / ton de cal (m³/ton de cal)

 Relación aire - combustible: (kg de aire/kg de carbón)

 Eficiencia energética del horno (%)

 Consumo de combustible.

2.6. Técnicas

- Técnica de recolección de datos de operación de hornos en

actividad; revisión de catálogos de hornos industriales.

- Observación del funcionamiento directo de hornos (artesanales) en el

distrito de Simbal y Saña.

- Experimentación: Evaluar el producto final (oxido de calcio) después

(49)

2.7. Diseño de contrastación de hipótesis

Mediante la investigación experimental y el empleo de literatura

especializada teniendo en cuénta la matriz de consistencia de la tabla 2.1

La figura 2.1 muestra el esquema de escalamiento partiendo de ensayos

de laboratorio, para luego pasar a escala piloto y finalmente a escala

industrial.

Tabla 2.1 Operacionalización de variables

Variable Definición conceptual Definición operacional Unidades de medición Va Variable Independiente: Capacidad de producción Variable dependiente: Parámetros Energéticos

Cantidad de producto elaborado a partir de un tamaño de equipo

Características de operación y diseño del equipo en cuanto a empleo de algún tipo de energía para su funcionamiento.

Flujo másico de producto (cal) a partir de un flujo de materia prima (caliza)

Consumo de energía calorífica:

Eficiencia de combustión

Volumen de horno / ton de cal.

Relación: aire /carbón:

Eficiencia energética del horno (%)

ton./h

kJ/ton de cal

(%)

m³/ton de cal

Kg de aire /Kg de carbón.

(50)

Figura 2.1 Modelo de escalamiento para dimensionar horno continuo

para obtener cal viva

2.8 Procedimiento

Evaluar parámetros de operación del proceso

 Se determina los parámetros de operación del horno para producir la

reacción de la caliza y transformar en oxido de calcio, determinando

las propiedades físico químicas, calor de reacción y la temperatura de

reacción de la caliza para su transformación en cal (oxido de

calcio).Los datos son obtenidos del manual del ingeniero Químico de

John Perry.

 Datos disponibles:

 Temperatura de disociación de la caliza: 925 ºC a 1340 ºC

 Energía requerida para la reacción:

150 kg coque/ton. Cal

(51)

 Balance de masa y energía ( teórico)

En el balance de masa y energía se verifica:

Calor aportado = Calor absorbido

Para un horno intermitente consideramos la siguiente distribución de

energía como base inicial para ser comprobado experimentalmente:  Energía útil a la carga ( caliza) ...qu = 50%

 Energía a los contenedores...qct = 20%

 Pérdidas por las paredes del horno ...qp = 26,8%

 Perdidas por radiación en desplazamiento... qr = 2,0%

 Perdidas adicionales... qin = 1,2%

 Consumo total... ct = 100%

Fuente: Manual del Ingeniero Químico Perry 1990.

Tanto en hornos continuos como intermitentes, se debe tener siempre en

cuenta el calor de vaporización del agua.

Ensayos preliminares de cocción de caliza a nivel piloto

Se efectúan ensayos en horno experimental efectuando una carga de

caliza con la cantidad de carbón como combustible según el balance de

(52)

La prueba termina cuando la caliza se descompone en oxido de calcio y

anhídrido carbónico; el termino del flujo de CO2 nos indica que la

reacción culmina.

Se pesa y analiza la muestra (producto) para determinar el rendimiento

del proceso y se determina:

a) Flujo de energía experimental requerido: producto obtenido,

combustible gastado, tiempo de proceso.

b) Determinación de eficiencia térmica del horno en operación

 Se evalúa flujo de energía requerido para la reacción química de la

caliza, determinándose a si mismo la eficiencia térmica del horno.

 Se evalúa los parámetros energéticos tales como: Requerimiento de

energía térmica; Combustible requerido; aire de combustión, relación

Kg. de combustible / Kg de carbón antracita empleado, altura y

diámetro del horno.

Resultados finales

Los resultados son expresados como parámetros energéticos del horno

según la capacidad de producción de cal.

La figura 2.2 muestra el diagrama de bloques que resume las cuatro etapas

que permitieron establecer los parámetros de diseño para un horno

(53)

Capacidad de producción

Recursos externos necesarios

Figura 2.2 Procedimiento para determinar parámetros de diseño de

horno para cocción de cal

La figura 2.3 constituye un horno vertical experimental donde se realizó

pruebas a escala piloto para la calcinación de la caliza empleando como combustible carbón antracita, efectuando pruebas con 900 kg ⁄ mes.

Para su operación se tomó en cuenta las pruebas experimentales a escala de

laboratorio empleando horno de tipo vertical de 1,25 kg decarbonato de calcio. Caliza

Parámetros de operación del proceso

Ensayos preliminares

de cocción de caliza a

nivel piloto

Resultados finales Determinación de parámetros energéticos

Combustible (carbón)

Flujo de Caliza a coccionar a) Flujo de energía experimental

requerido: producto obtenido, combustible gastado, tiempo de proceso.

b) Determinación de eficiencia térmica delhorno en operación c) 150 Kg coque/Ton. Cal (prueba

experimental)

d)

e) 150 Kg coque/Ton. Cal (prueba experimental) f) 150 Kg coque/Ton. Cal

(prueba experimental) g)

Parámetros de diseño

Propiedades físico químicas de la caliza (Manual del ingeniero Químico: J.Perry)

 Datos de caliza

 Temperatura de disociación de la caliza: 925 a 1340ºC

 Energía requerida para la reacción:

 Consumo de energía calorífica: (KJ/ton de cal).

 Eficiencia de combustión (%).

 Volumen de horno / ton de cal (m³/ton de cal).

 Flujo de aire /carbón: Kg de aire/Kg de carbón.

(54)

Para determinar la temperatura y el tiempo de reacción de la caliza se empleó

el horno eléctrico de la figura 2.4; para luego teniendo en cuenta estos datos

experimentales se efectuó pruebas con prototipo de laboratorio, (figuras: 2.5-

2.6) determinando el flujo de aire de combustión y el volumen del horno para

una determinada carga.

Figura 2.3 Horno vertical experimental (nivel piloto) para calcinación de

cal empleando como combustible carbón (Se observa la parte inferior de

(55)

Figura 2.4 Horno eléctrico de 3 kW pruebas de temperatura de

calcinación en laboratorio

Figura 2.5 Ventilador centrífugo de velocidad regulable

(56)

Figura 2.6 Prototipo de horno para fabricación de cal.

(57)

CAPITULO III

RESULTADOS

3.1 Horno de calcinación

Balance de masa en el horno piloto (Zaña)

La planta piloto se diseñó para producir 900 kg de cal (CaO) al mes, lo que

significa 30 kg de cal diaria (900 kg / 30 días), equivalente a 1,25 kg de cal

por hora (30 kg / 24 horas). En base a la reacción de calcinación e

hidratación, se predice lo siguiente:

1 mol Ca2CO3 1 mol CaO + 1 mol CO2

100,08 g = 56,08 g + 44 g

Tabla 3.1 Peso molecular de reactantes y producto

Pruebas a escala de laboratorio

Se debe tener en cuenta que la piedra caliza tiene una pureza de 96 %

según análisis de laboratorio proporcionado por la empresa Zaña.

Las pruebas de laboratorio en el horno eléctrico se efectuaron para

determinar la temperatura, tiempo y rendimiento de cal (CaO), tomando

Compuesto PM (g / mol)

CaCO3 (Piedra Caliza) 100,08

CaO (Cal) 56,08

(58)

como base obtener 900 g de CaO según la capacidad disponible del horno.

De acuerdo a los datos de peso molecular de cada elemento, y según

balance estequiométrico. Para obtener 900 g de CaO, se necesita 1606,13

gramos de CaCO3:

Prueba de laboratorio en horno prototipo

En este horno prototipo se cubico una capacidad de 1,25 kg de piedra caliza

(CaCO3) con una pureza del 96%, de acuerdo a la capacidad disponible

(volumen decarga dentro del horno).

1,25 kg CaCO3 / h x (0,96) = 1,2 kg CaCO3 / h

Flujo de cal viva (CaO)

Teniendo en cuenta la pureza de la piedra caliza y según balance

estequiométrico, considerando los datos de peso molecular de cada

elemento, se obtiene la cantidad de cal (CaO) que se puede obtener en una

hora en el horno piloto de Zaña es:

(1,2 kg CaCO3 / h )*(1 kmol de CaO / 1kmol de CaCO3)*(1 kmol de CaCO3

(59)

Flujo de CO2 desprendido

Prueba a escala de laboratorio

La produccion de anhidrido carbonico estequiometricamente, considerando

un producción de 1,2 kg de CaCO3 / h:

(1,2 kg de CaCO3 / h)*(1 kmol CO2 / 1 kmol CaCO3)*(1 kmol de CaCO3

/100,08 kg CaCO3)*(44 kg CO2 / 1 kmol CO2) = 0,528 kg CO2 / h

Por lo tanto estequiometricamente y por balance de masa se obtiene que 1,2 kg de CaCO3 / h producen 0,528 kg CO2 / h y 0,673 kg CaO / h.

Balance de energía

Cálculo de Calor útil necesario para la disociación de CaCO3

Las entalpías de formación de los compuestos químicos de la reacción de

calcinación de la caliza se muestran en la tabla 3.2.

Tabla 3.2 Entalpias de formación de reactantes y producto

Compuesto Químico Entalpia de formación (kcal/mol)

CaCO3 -289,5

CaO -151,7

CO2 -94,054

Referencia: Perry J. Tomo I

Considerando la ecuación:

ΔH reacción = ΔH formación de productos – ∆H formación de reactivos

(60)

Se obtiene:

ΔH reacción = (-151,7 - 94,054) + 289,5 = + 43,746 kcal ⁄ mol

Calor mínimo necesario para la disociación se calcula con la fórmula: Qmin = Δ H CaO (m CaO)

Por lo tanto el flujo de calor minimo necesario para la disociacion de 1,2

kg de CaCO3 / h y producir 0,673 Kg CaO/ h se determina:

Qutil = (781,18 kcal / kg de CaO) (0,673 kg CaO / h) = 530,42 kcal/h

Qutil = 530,42 kcal/h

Tabla 3.3 Balance de flujos másicos y energia en el prototipo de

horno de cal de laboratorio: Combustible carbon antracita.

Flujo de materia y energia Cantidad Unidades

CaCO3 1,2 kg/h

CaO 0,673 kg/h

CO2 0,518 kg/h

Qutil 530,42 kcal/h

Consumo de Combustible:

Tipo de combustible: Carbón Antracita

Poder calorífico inferior: 6800 kcal / kg (Análisis de laboratorio en Laboratorio de

(61)

Requerimiento teórico de combustible

Considerando que se requiere 781,18 kcal / kg de CaO, y teniendo en cuenta el

poder calorifico inferior del carbón (6800 kcal / kg), se obtiene un consumo de

combustible:

Consumo de combustible = (781,18 kcal / kg de CaO) / (6800 kcal / kg de

carbón) = 0,115 kg de carbón / kg de CaO (cálculo teórico)

Requerimiento real de combustible:

Teniendo en cuenta que la energía térmica no solamente se emplea para la

reacción química sino que se debe tener en cuenta las pérdidas de calor a través

de la superficie del horno. Empleando la ecuación de Fourier en estado

estacionario, para lo cual se empleó el valor de conductividad térmica del

material refractario que constituye el revestimiento refractario de 25 mm de

espesor y la cubierta exterior de acero al carbono de 3,0 mm de espesor; así

mismo se determinó la superficie externa del prototipo de horno de laboratorio y

la diferencia de temperaturas interna y externa, con los datos obtenidos se aplicó

la ecuación de Fourier determinándose las pérdidas de calor a través de la

superficie del horno.

El calor que se pierde por los gases de combustión se determinó por diferencia

del calor total empleado, el cual se determinó teniendo en cuenta el poder

calorífico inferior del carbón (combustible) y su consumo deduciéndose

(62)

requiere un 63,6 % mayor a la cantidad de combustible calculada para obtener

un kilogramo de óxido de calcio (CaO).

Consumo real de combustible = (0,115 kg de carbón / kg de CaO) * (1 + 0,636) =

0,1882 kg de carbón / kg de CaO

Eficiencia térmica (η):

η = (Consumo teórico de combustible ⁄ Consumo real de combustible) * 100

η = (0,115 / 0,1882) * 100

η = 61,11%

La tabla 3.4 muestra los valores obtenidos experimentalmente mediante un

balance de energia en el horno de cal experimental (figura 2.6) mediante una

distribucion de calor, determinandose en primer lugar las perdidas de calor por

las paredes del horno mediante la ecuacion de Fourier en estado estacionario

considerando las caracteristicas constructivas del horno: espesor del refractario,

cubierta exterior de acero al carbono, superficie total, la diferencia de

temperaturas interior y exterior del horno y la conductividad termica de los

materiales de la paredes del horno ( Perry .1990).

Para determinar las pérdidas de energía por gases de combustión se determinó

midiendo la temperatura de los gases de combustión a la salida del horno, el

calor especifico promedio de los gases de combustión (Perry: 1990) y el flujo

(63)

acoplado a la salida de los gases del horno.

La energía útil a la carga se determinó teniendo en cuenta que la energía total

proporcionada por el combustible es de 781,18kcal/kg (100%).

La energía útil a la carga se determinó por diferencia de las pérdidas de calor y

el flujo de energía entregado por el combustible es decir el gasto total de carbón

por su poder calorífico inferior. La energía útil empleada por la carga es cercano

al valor de eficiencia térmica determinada anteriormente.

Tabla 3.4 Distribución de energía térmica en horno prototipo de laboratorio para cal: 781,18 kcal ⁄ kg de CaO

Distribución de la energía térmica

Energía térmica (kcal/kg de CaO)

Energía térmica (%)

Energía útil a la carga 477,4 61,10

Energía a los contenedores 0,0 0,00

Pérdidas por las paredes 203,11 26,00 Perdidas por radiación en

desplazamiento 0,00 0,00 Perdidas por gases

de combustión 100,7 12,90

(64)

Tabla 3.5. Variación de temperaturas interna y externa en el horno

Para determinar perdidas de calor por las paredes del horno

Tiempo (min)*

Temperatura.

Interna °C

Temperatura.

Externa

10 750 30

20 850 40.27

30 920 64.57

40 960 82.42

50 990 100.1

* Tiempo para alcanzar la temperatura de reacción

Aire para la combustión: Calculado en horno prototipo de laboratorio

Producción: 0,673 kg de cal / h

Flujo de carbón:

Qutil = 530,42 kcal/h

mc = (530,42 kcal/h) / (6800 kcal /kg de carbón) = 0,080 kg de carbón / h

mc = 0,080 kg de carbón / h

 Consumo de combustible (carbón): mc = 0.08kg/h

 Aire estequiométrico para la combustión ( Keppeler G. 2006:1591)

S O H C decarbón kg deaire kg 29 . 4 8 1 34 . 34 53 . 11 . . 2

2 

(65)

1075 . 8 . . decarbón kg deaire kg

Considerando un exceso de aire de 10% se tiene:

h Kg hx Kg x decarbón kg deaire kg / 7135 , 0 1 . 1 / 08 . 0 . . 1075 . 8 

 Flujo volumétrico de aire: θ

Considerando que la densidad del aire es 1,24 kg ⁄ m3

, obtenemos: min / 01 . 0 60 24 . 1 7135 , 0 3 m x   

min

/

01

.

0

m

3

Figure

Tabla 1.1 Combustibles comerciales

Tabla 1.1

Combustibles comerciales p.15
Tabla 1.2  Composición de un Gas Natural  I  X i N 2 0.0071  CH 4 0.8425  C 2 H 6 0.1477  C 3 H 8 0.0025  i C 4 H 10   *  0.0001  n C 4 H 10   *  0.0001  Total  1,000  *Isobutano                *Butano normal  Poder Calorífico

Tabla 1.2

Composición de un Gas Natural I X i N 2 0.0071 CH 4 0.8425 C 2 H 6 0.1477 C 3 H 8 0.0025 i C 4 H 10 * 0.0001 n C 4 H 10 * 0.0001 Total 1,000 *Isobutano *Butano normal Poder Calorífico p.18
Tabla 1.3 Composición del aire atmosférico

Tabla 1.3

Composición del aire atmosférico p.23
Figura 1.2: Horno Rotativo 7

Figura 1.2:

Horno Rotativo 7 p.37
Figura 1.3 Precalentador para horno de cal 7

Figura 1.3

Precalentador para horno de cal 7 p.38
Figura 1.4 Sistema Primario de Recolección de Polvos de cal 7

Figura 1.4

Sistema Primario de Recolección de Polvos de cal 7 p.40
Figura 1.6 Sistema primario de recolección de polvos en el

Figura 1.6

Sistema primario de recolección de polvos en el p.41
Figura 1.8 Horno Vertical para cal  8 .

Figura 1.8

Horno Vertical para cal 8 . p.45
Figura 1.10: Horno Vertical  para calcinación de cal. 8

Figura 1.10:

Horno Vertical para calcinación de cal. 8 p.46
Tabla 2.1 Operacionalización de variables

Tabla 2.1

Operacionalización de variables p.49
Figura 2.1 Modelo de escalamiento para dimensionar horno continuo

Figura 2.1

Modelo de escalamiento para dimensionar horno continuo p.50
Figura 2.2 Procedimiento para  determinar parámetros de diseño de  horno para cocción de cal

Figura 2.2

Procedimiento para determinar parámetros de diseño de horno para cocción de cal p.53
Figura 2.3 Horno vertical  experimental (nivel piloto) para calcinación de  cal empleando como combustible carbón (Se observa la parte inferior de  ingreso de aire de combustión) (Empresa Zaña)

Figura 2.3

Horno vertical experimental (nivel piloto) para calcinación de cal empleando como combustible carbón (Se observa la parte inferior de ingreso de aire de combustión) (Empresa Zaña) p.54
Figura 2.5 Ventilador centrífugo de velocidad regulable

Figura 2.5

Ventilador centrífugo de velocidad regulable p.55
Figura 2.4 Horno eléctrico de 3 kW  pruebas de temperatura de  calcinación  en laboratorio

Figura 2.4

Horno eléctrico de 3 kW pruebas de temperatura de calcinación en laboratorio p.55
Figura 2.6  Prototipo de horno para fabricación de cal.  Prueba de laboratorio para determinar capacidad de carga

Figura 2.6

Prototipo de horno para fabricación de cal. Prueba de laboratorio para determinar capacidad de carga p.56
Tabla 3.4 Distribución de energía térmica  en horno prototipo                    de laboratorio para cal: 781,18 kcal ⁄ kg de CaO

Tabla 3.4

Distribución de energía térmica en horno prototipo de laboratorio para cal: 781,18 kcal ⁄ kg de CaO p.63
Tabla 3.5. Variación de temperaturas interna y externa en el horno   Para determinar perdidas de calor por las paredes del horno

Tabla 3.5.

Variación de temperaturas interna y externa en el horno Para determinar perdidas de calor por las paredes del horno p.64
Figura A-1 Descarga de carbón antracita en la planta   Empresa CARBOIN S.A.C

Figura A-1

Descarga de carbón antracita en la planta Empresa CARBOIN S.A.C p.71
Figura A-2: Clasificación  del carbón antracita    para la planta de cal

Figura A-2:

Clasificación del carbón antracita para la planta de cal p.71
Figura A-4: El autor realiza análisis  elemental   de muestras carbón antracita

Figura A-4:

El autor realiza análisis elemental de muestras carbón antracita p.72
Figura A-3: Análisis de cenizas  del carbón   antracita  para la planta de cal

Figura A-3:

Análisis de cenizas del carbón antracita para la planta de cal p.72
Figura A- 5: Análisis  de gases de combustión  con analizador de gases ORSAT

Figura A-

5: Análisis de gases de combustión con analizador de gases ORSAT p.73
Figura A - 8: Bomba calorimétrica desmontada   (Laboratorio de Química UNT)

Figura A -

8: Bomba calorimétrica desmontada (Laboratorio de Química UNT) p.74
Figura A - 7: Soporte de la Bomba calorimétrica después de determinar   poder calorífico del carbón ( se observa el crisol y electrodos)

Figura A -

7: Soporte de la Bomba calorimétrica después de determinar poder calorífico del carbón ( se observa el crisol y electrodos) p.74
Figura A-10: Ventilador centrifugo con regulador de velocidad

Figura A-10:

Ventilador centrifugo con regulador de velocidad p.75
Figura A-11: Medición de la velocidad del ventilador    mediante anemómetro

Figura A-11:

Medición de la velocidad del ventilador mediante anemómetro p.76
Figura A-13: Cámara de combustión de prototipo de   horno para fabricación de cal

Figura A-13:

Cámara de combustión de prototipo de horno para fabricación de cal p.77
Figura A-14: Muestra  de cal obtenida experimentalmente   en prototipo de horno

Figura A-14:

Muestra de cal obtenida experimentalmente en prototipo de horno p.77
FIGURA A-15 Horno piloto de laboratoriocon campana extractora para toma de muestra de  gases de combustion, temperatura de gases y flujometro para muestra de gases

FIGURA A-15

Horno piloto de laboratoriocon campana extractora para toma de muestra de gases de combustion, temperatura de gases y flujometro para muestra de gases p.78

Referencias

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