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CAL VIVA.

Es óxido de calcio. Se obtiene por calcinación a 1000º C de la piedra caliza.

La producción de cal en hornos es una vieja tecnología con más de 2.000 años de antigüedad. Se cree que fue desarrollada por los romanos alrededor del 300 A.C. El proceso de cocción de la piedra caliza a temperaturas superiores a los 900 ºC para producir cal viva, que luego es apagada con agua para producir cal hidratada, es desde entonces una práctica tradicional en la mayoría de los pases.

La cal también es obtenida como un subproducto en forma de lodo de cal (que contiene carbonato de calcio y diversas impurezas) de la fabricación de áscar, y de las industrias de papel y acetileno. El subproducto, lodo de cal, es moldeado en ladrillos o briquetas antes del cocido en hornos.

Las reacciones químicas en la cocción de la cal son:

CaCO3 (Carbonato de Calcio o Piedra Caliza) + Calor = CaO (Oxido de Calcio o Cal Viva) + CO2 (Dióxido de Carbono)

CaMg(CO3)2 (Piedra Caliza Dolomítica) + Calor = CaO + MgO (Oxido de Magnesio) + CO2

El proceso químico de cocción de la cal muestra que el principal constituyente en la materia prima (piedra caliza) es el carbonato de calcio. La piedra caliza puede tener un contenido de CaCO3 mayor del 98% (como en algunas calizas y en diversos tipos de conchas y corales) o tan bajo como 54% (en la dolomita mineral pura).

Cada tipo de piedra caliza produce una calidad diferente de cal, dependiendo del tipo y cantidad de impurezas. Las formas más puras de cal son para usos industriales y químicos, mientras que las impurezas son deseables en cales empleadas para edificaciones y carreteras. Las piedras calizas que contienen de 5 a 25% de arcilla pueden producir una cal hidráulica, que como el cemento, se endurece ante la presencia de agua.

La presencia de impurezas en las piedras calizas influye en su comportamiento durante la cocción, de modo que el diseño del horno y la elección de combustible dependen en gran parte de la materia prima y del tipo del producto final requerido. Por ello es esencial la asesora de expertos en la etapa inicial, para obtener resultados satisfactorios tanto para el productor de cal como para el consumidor.

La preparación de la materia prima es extremadamente importante ya que deberá emplearse un solo tamaño de piedra para facilitar un flujo del gas uniforme y un horneado parejo. Es importante realizar pruebas de horneado en pequeña escala para estudiar el comportamiento de la materia prima y la calidad de cal que esta produce, y también para asegurarse que los terrones no se rompan antes que salgan del horno.

COMBUSTIBLES

La madera y el carbón de piedra son los combustibles tradicionales más comunes. La cocción con madera produce una cal de gran calidad, ya que se hornea con llamas largas y uniformes que generan vapor (por el contenido de humedad de la madera), lo cual ayuda a disminuir la temperatura necesaria para la disociación (separación del CO2 de los carbonatos), reduciendo así el peligro de cocción excesiva.

La madera debe ser secada y cortada en piezas relativamente pequeñas. El abastecimiento de madera deberá estar cercana al horno para evitar altos costos de transporte. Para la producción de cada tonelada de cal hidratada se necesita aproximadamente 2 m3 de madera. Esto es un problema, en vista de la rápida depredación de las fuentes de madera, pero una posible solución es fomentar plantaciones de madera combustible y el uso de biomasas alternativas.

El carbón de leña da una eficiencia mayor, pero la cal producida no es tan buena como la horneada con madera.

El carbón de piedra con un alto contenido de carbón produce una buena cal y puede ser un combustible económico incluso en hornos pequeños. El coque es preferible debido a su bajo contenido volátil (hidrocarburos que se puedan evaporar), pero es difícil de prender y, por lo tanto, a menudo es mezclado con carbón de piedra.

Los combustibles líquidos y gaseosos, aunque más caros, son más fáciles de manipular que los combustibles sólidos, y se queman sin producir cenizas que contaminen la cal.

Los tipos principales son los GLP y gas natural y el diésel y aceites combustibles pesados, a menudo mezclados con aceites usados de motores. El combustible es vaporizado, mezclado con aire y prendido en cámaras ubicadas alrededor del horno, produciendo llamas grandes antes de hacer contacto con la piedra caliza.

Los GLP, principalmente propano y butano, son otros combustibles líquidos empleados. Igualmente se emplea el gas natural, como el metano, y el gas producido, hecho de madera, material vegetal o carbón de piedra.

Si se emplean aceites o gases, los hornos necesariamente deben ser más sofisticados que los empleados con combustibles sólidos.

Los posibles combustibles alternativos son la turba, los esquistos y la biomasa, derivados de materiales vegetales incluyendo residuos forestales y agrícolas. Pueden emplearse de diferentes maneras.

Es poco probable que la energía solar o eólica pueda emplearse en un futuro cercano.

Cada día tiene más interés la utilización de combustibles derivados de los residuos, como el biogás, algunas biomasas, restos de plásticos o llantas entre otros muchos.

DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DEL HORNO

Un horno de cal es una construcción en la cual la piedra caliza es calentada a una temperatura tal que libere el CO2, convirtiéndola en cal viva. El calor es proporcionado por combustibles adecuados que pueden ser colocados en capas entre la piedra caliza o mezclados con ésta. Los combustibles gaseosos o líquidos son inyectados por los lados del horno o quemados en cámaras adyacentes, desde las cuales los gases calientes ingresan al horno.

Es necesario un control cuidadoso para mantener la temperatura correcta el tiempo suficiente como para quemar completamente la piedra. La piedra caliza no bien calcinada no se hidrata, mientras que el material sobre horneado es muy duro y denso para apagarse, o se hidrata muy lentamente.

Los hornos pueden ser: intermitentes o continuos.

HORNOS INTERMITENTES

Son hornos de campaña. Los trozos de piedra caliza, que se echan por la parte superior del horno, se acumulan de mayor a menor, dejando una cavidad para el combustible.

La cocción tradicional de la cal en hornos intermitentes desperdician mucho combustible (generalmente leña) y a menudo producen cales no uniformes, de baja calidad.

Se enciende el horno elevando la temperatura gradualmente, hasta que las piedras se presenten porosas, por los gases de combustión que circulan entre ellas y provocan su descomposición. Se deja enfriar y se extrae la cal formada corriendo la reja metálica de la parte inferior.

Los hornos intermitentes o por lotes generalmente son empleados en lugares remotos, en donde no se necesita un abastecimiento continuo. Son cargados con piedra caliza y encendidos hasta que toda la piedra ha sido cocida. Luego de enfriar, se extrae la cal viva, se vuelve a cargar con piedra caliza y nuevamente se enciende el horno.

La eficiencia del combustible naturalmente es muy baja, ya que las paredes del horno tienen que ser recalentadas cada vez que se enciende un nuevo lote. Por otro lado, necesita muy poca atención durante el quemado. El combustible se quema debajo de la piedra caliza (en hornos de llama o de tiro de aire superior) o dentro del lote completo (en hornos de alimentación combinada).

Inconvenientes de estos hornos:

Pérdida de calor y tiempo, dada la necesidad de esperar que se enfríe para volverlo a cargar.

Emplean mucha mano de obra en la carga y descarga.

Pérdida de anhídrido carbónico que se desprende.

HORNOS CONTINUOS

En los hornos continuos, equipos apropiados mueven mecánicamente la materia prima y la cal obtenida. Los hornos continuos funcionan sin interrupción: a medida que se extrae la cal viva se agregan nuevas porciones de piedra caliza. Los hornos continuos pueden ser de dos tipos: verticales y rotatorios.

Los hornos continuos verticales son muy semejantes al horno intermitente, con la diferencia de que mientras la carga se realiza por la parte superior, la descarga se efectúa por la inferior de forma continua. Los hornos verticales utilizan piedras calizas de mediano tamaño. El combustible es indistinto: leña, fuel oil o gas natural. Este tipo de hornos aprovecha el anhídrido carbónico que se desprende y evita pérdidas de calor.

El combustible y la piedra caliza se disponen en capas alternadas y presenta el inconveniente de facilitar una cal de calidad inferior, mezclada con cenizas, escorias, etc. Pueden utilizarse quemadores especiales para evitar que el combustible entre en contacto con la cal. Son simples y el rendimiento de combustible es mayor que el horno rotativo.

Los hornos de eje vertical son diseñados principalmente para producción continua: la piedra, alimentada por la parte superior, cae gradualmente en la zona de cocción, luego en la zona de enfriamiento, y finalmente es estrada por abajo, dejando sitio para la siguiente carga, y así sucesivamente. La capa superior es precalentada por los gases de evacuación y el aire que ingresa por dedujo es precalentado por la cal viva en enfriamiento, obteniendo así, el máximo uso del calor disponible.

Las principales características del diseño y consideraciones del funcionamiento respecto a los hornos de alimentación combinada y eje vertical son:

Cimientos y base del horno: construido sobre un terreno firme y con las dimensiones adecuadas para soportar al fuste y al contenido del horno; es necesaria la asesoría de un ingeniero.

Forma y dimensiones del fuste: el área de la sección transversal está relacionada a la producción deseada (1 m2 produce aproximadamente 2.5 toneladas por día); una planta circular proporciona una mejor distribución del calor; la relación entre altura y dímetro debe ser al menos de 6:1 para un flujo de gas optimo; la altura debe estar relacionada al tipo de piedra caliza, ya que las piedras suaves tienden a molerse bajo la presión, restringiendo el flujo del gas (los hornos para caliza blanda no deben exceder de 5 m de alto); los fustes que se adelgazan hacia la parte superior minimizan las piezas colgantes (piedras que se adhieren a los lados y forman arcos).

Paredes estructurales: deben soportar la presión lateral de la piedra caliza (proporcionando un mayor grosor de la pared en la base, o contrafuertes, o mediante bandas de tracción de acero a intervalos de 80 cm., deben resistir el agrietamiento que podrán ocasionar la expansión del calor (empleando pequeños ladrillos en lugar de bloques grandes, y mortero de arena y cal en juntas angostas); espesor de la pared de 50 cm. como mínimo para un buen comportamiento térmico; material resistente a los agentes atmosféricos.

Revestimiento refractario aislante en la zona de cocción y debajo, resistente al calor y a la acción química, usualmente de 5 a 10 cm. de espesor, para retener el calor en el horno, especialmente alrededor de la zona de calcinación.

Los hornos continuos rotativos consisten en un cilindro con aislamiento interior movido por un moto reductor. Por la acción de un quemador se eleva la temperatura de las piedras que se carga, generalmente de forma automática por un extremo y se extraen por el otro convertidas en cal viva.

Usados generalmente para calcinar una caliza con un tamaño pequeño de partícula (6-60) mm y equipados generalmente con calentadores previos y refrigerantes.

Están mejor equipados para la obtención de una cal de calidad debido a su instrumentación y produce una cantidad máxima de cal por hombre-hora.

El proceso de calcinación de la caliza ocurre igual en hornos del tipo rotativo o vertical, pero la caliza que se introduce a estos hornos no puede ser cualquier caliza: no puede ser muy porosa o muy húmeda debido a que esto aumenta la demanda de combustible

Normalmente se coloca una chimenea para facilitar el tiro y proporcionar suficiente oxígeno para la combustión, para enfriar la cal viva, y para alejar los gases de evacuación de los operarios que cargan el horno.

Permite que entre aire fresco retirar la cal viva enfriada El control del tiro de aire es fácil. Alrededor del horno y a diferentes niveles se colocan orificios para atizar e inspeccionar, usualmente del tamaño de un ladrillo (el cual es empleado para cerrar), para aflojar regularmente los terrones de caliza amontonados y para controlar la temperatura dentro del horno.

También se utilizan otros tipos de hornos rotativos para tratar residuos calizos como huesos, conchas de mariscos o residuos de corte de piedra caliza o mármol.

HIDRATACIÓN

El tipo de cal empleado para construcciones y otros numerosos procesos es la cal hidratada o apagada. Esta es obtenida añadiendo vapor o agua a la cal viva. Las cales vivas puras reaccionan vigorosamente desprendiendo calor considerable, mientras que las cales impuras se hidratan lentamente, o solo después que los terrones son triturados.

CaO (Oxido de Calcio o cal viva) + H2O (Agua) = Ca(OH)2 (Hidróxido de Calcio o cal apagada) + Calor

Comúnmente se producen tres formas de cal hidratada:

Hidrato seco, un polvo fino seco formado añadiendo agua suficiente para apagar la cal, que es secada por el calor generado;

Lechada de cal, hecha de cal viva apagada con agua en exceso y agitándola bien, formando una suspensión lechosa;

Pasta de cal, una masa viscosa formada por el asentamiento de los sólidos de la lechada de cal.

La forma más común es el hidrato seco, que es muy adecuado para almacenar en silos o bolsas herméticas, y fáciles de transportar. La pasta de cal, que es un excelente material de construcción, puede ser guardada indefinidamente bajo condiciones húmedas. La lechada de cal generalmente es producida conjuntamente con otras industrias de procesamientos.

En pequeñas fábricas de cal, el apagado usualmente se realiza a mano, sobre plataformas para producir un hidrato seco o tanques pocos profundos para hacer pasta de cal. Aunque la hidratación de la cal viva es un proceso simple, debe realizarse con especial cuidado, por ejemplo, ver que toda la cal viva está completamente apagada. Las piezas que se hidratan muy lentamente y que no se detectan, pueden causar serios problemas posteriormente.

Si el agua es añadida muy lentamente, la temperatura de la cal puede incrementarse demasiado rápido, formando un compuesto arenoso blanco inactivo (cal de agua quemada). Si el agua es añadida muy rápidamente, puede formarse una capa de hidróxido, evitando una mayor hidratación (cal ahogada).

La localización y distribución de un taller de producción de cal son factores vitales que influyen en la ecónoma y la calidad de la producción de cal.

APLICACIONES

Respecto a los usos de la cal obtenida dependen los distintos grados de pureza que requiera la caliza, por ejemplo para la cal usada en la industria se requiere un grado de pureza mucho mayor de la caliza, si lo comparamos con la pureza requerida para usos agrícolas así para cada uso se dan características de la caliza para satisfacer necesidades y aquí se presenta un resumen:

Para usos industriales

Gran parte de la caliza no sirve por problemas de pureza, por esta razón gran parte de la cal se obtiene a partir de conchas de mar las cuales son basadas en CaCO3 puro o de vetas de caliza o mármol de gran calidad.

Para usos en construcción

La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco principalmente como cal hidráulica la cual contiene un porcentaje de arcilla y que debido a esto fragua bajo el agua y tiene propiedades plásticas. Generalmente se usa como sustituto del cemento. La cal no hidráulica (hidróxido de calcio puro) también es empleada como un aglomerante en enlucidos. Se endurece al reaccionar con el dióxido de carbono en el aire para retornar a piedra caliza (carbonato de calcio). Este proceso puede tomar hasta 3 años dependiendo de las condiciones climáticas.

La cal hidratada se usa para la fabricación de ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidráulica más arena los cuales juntos forman silicatos mono cálcicos los cuales tienen propiedades aislantes, por esto mismo se agrega a algunas carreteras de arena cal hidráulica para formar silicatos sobre esta y así formar un “cemento natural” donde obviamente no se requiere cal de gran pureza.

La cal es empleada como un estabilizador en las construcciones de tierra con suelos arcillosos, porque la cal reacciona con la arcilla formando un aglomerante.

La cal es usada en morteros de cemento para hacerlo más laborable. La cal es producida con menos consumo de energía que el cemento, haciéndolo más barato y ambientalmente más aceptable.

En morteros y trabajos de enlucido, la cal es muy superior al cemento portland, proporcionando superficies suaves con una mayor probabilidad a deformarse que a agrietarse y ayudan a controlar los movimientos de humedad y la condensación.

La lechada de cal es empleada como pintura de paredes internas y externas. La lechada de cal no solo son pinturas más baratas sino que también actúan como un germicida suave.

Para usos agrícolas

La cal se usa generalmente para neutralizar los ácidos presentes en el suelo aunque se usa más la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca pureza

Para usos metalúrgicos

La cal viva tiene un gran uso como fundente en la manufactura del acero donde se requiere una cal de una gran pureza, además la cal se usa en el trefilado de alambres como lubricante, también se usa en la fabricación de lingotes en moldes de hierro para evitar la adherencia de estos lingotes

Otro uso de la cal es para neutralizar los ácidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido se prefiere la cal para neutralizar debido a que la caliza produce CO2 al contacto con ácidos lo cual es un problema debido a que puede generar asfixias en los que lo manipulan.

La lechada de cal se usa como aislante temporal a la corrosión, en el recocido del acero, se usa además en casi todos los procesos para la extracción de Mg, también para recuperar la sílice de la bauxita, se emplea en la flotación de minerales no férreos donde actúa como depresor y mantiene la alcalinidad correcta, para todos estos usos metalúrgicos se requiere una cal de una pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza mayor de donde sintetizar esta cal.

Para usos varios

Se usa la lechada de cal para neutralizar los gases nocivos producidos en la refinación de metales, gases como H2S, SO2. Se usa la cal hidratada para la fabricación de NaOH por la siguiente reacción: Ca(OH)2 + Na2CO3 →2NaOH + CaCO3. También se usa en la fabricación de carburo de calcio cuando reacciona esta con coque. La cal se usa también en el tratamiento de residuos de la industria del papel. Y en el tratamiento de las aguas potables para mejorar su calidad y también para ablandar agua, junto con sales de hierro se usa para coagular sólidos suspendidos en el agua y también para neutralizar el  “agua ácida” que produce la corrosión de las cañerías.

Producción de acetileno

CaO  +  2C(coque)    CaC2(carburo)

 CaC2  + H2O → CHCH(acetileno) + Ca(OH)2

Ablandamiento de aguas

CaO + H2O → Ca+2 +2OH-

OH- + HCO3- →CO3-2 + H2O

CO3-2 + Ca2+ → CaCO3

FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LA CAL OBTENIDA

Muchas de las propiedades de la cal dependen de la calidad de la caliza utilizada como también del proceso de calcinado, y de estas propiedades, dependen los usos que se le dé a la cal aquí hay un breve resumen de estos factores que influyen en las propiedades de la cal obtenida:

La dureza de la cal obtenida, depende de las impurezas de la caliza utilizada como también de la temperatura de calcinación, una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas elevadas.

La porosidad - y como consecuencia la densidad – de las cales también depende de la temperatura de calcinación, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una mayor densidad, como consecuencia de esto a mayor temperatura, la cal va perdiendo actividad química, es por esta razón que conviene sintetizar la cal a temperaturas lo más cercanas a la temperatura de disociación de la caliza.

 

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