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
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
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.
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
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.
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
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
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
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
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
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.
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 ,
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
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
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.)
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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.
- 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.
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%
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
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
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
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
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
Figura 1.1: Flujograma del proceso productivo de la cal
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
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.
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
Figura 1.4 Sistema Primario de Recolección de Polvos de cal7
Figura 1.5 Sistema primario de recolección de polvos en el
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
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
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
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
Figura 1.8 Horno Vertical para cal 8.
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.
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
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
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.
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
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
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
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.
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
Figura 2.4 Horno eléctrico de 3 kW pruebas de temperatura de
calcinación en laboratorio
Figura 2.5 Ventilador centrífugo de velocidad regulable
Figura 2.6 Prototipo de horno para fabricación de cal.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
