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EL CARBON Y LOS SUBPRODUCTOS CARBONOSOS COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA EN LA INDUSTRIA LADRILLERA.
A. GARCIA VERDUCH. Instituto de Cerámica y Vidrio.
Arganda del Rey, Madrid.
RESUMEN Las instalaciones de la industria ladrillera actual no están adecuadas para el quemado de combusti
bles sólidos por los viejos sistemas. En el presente artículo se exponen algunos conceptos generales sobre las propiedades de los carbo
nes y sobre su almacenamiento, y después se describen las características de las instalaciones para el quemado de combustibles sóüdos pulverizados. También se aborda el problema de la combustión de sólidos pulverizados inyectados en los hornos de ladrillería.
Por último, se estudia la posibilidad de uithzar combustibles como aditivos a las masas arcillosas para la fabricación de ladrillos.
ZUSAMMENFASSUNG. Die Produktionsanlagen der heutigen Ziegeleiindustrie sind für den Einsatz fester Brennstoffe nach
den alten Verfahren nicht geeignet. In der Arbeit Werden einige Überlegungen allgemeiner Art über die Eigenschaften der Kohle und
ihre Lagerung angestellt; anschliessend werden die Merkmale von Anlagen zur Verfeuerung fester feingemahlener Brennstoffe beschrieben. Auch die Frage der Einspritzung pulverförmiger fester Brennstoffe in Ziegeleiöfen wird behandelt.
Abschliessend wird die Möglichkeit des Einsatzes von Brennstoffen als Zusatzmittel zu den für die Ziegelherstellung verwendeten Tonmassen erörtert.
SUMMARY The installations of the present day brick industry are not adequate for burning soUd fuels using
classical systems. This paper describes some general concepts on the properties of coal and its storage. This is followed by the description of the caracteristics of the facilities for burning solid fuels in the powder form.
The problem of the combustion of powdered soUds injected in brick furnaces is also considered. FinaUy, a study is made on the possibility of using fuels as additives to clayey masses for the ma
nufacture of bricks.
RESUME Les installations de l'industrie de briques actuelle ne se trouvent pas accommodées pour le brûlage
de combustibles solides à travers les systèmes anciens. Le présent article expose quelque concepts généraux qui on décrit les caractéristiques des installa
tions pour le brûlage de combustibles solides pulvérisés. On abordé aussi le problème de la condustion de soUdes pulvérisés, injectés dans les fours de bri
queterie. Finalement, on étudié la possibilité d'utiliser des combustibles comme aditifs aux masses argilenses,
pour la fabrication de briques.
1. INTRODUCCIÓN.
Tradicionalmentô, la industria ladrillera española ha utilizado carbón y otros combustibles sólidos de forma generalizada.
El movimiento de expansión y modernización que experimentó la industria española durante los años sesenta afectó incluso —y de modo señalado— a un sector industrial de tan antigua tradición como es el de la ladrillería.
Las nuevas instalaciones que se montaron fueron proyectadas para mayores producciones, y se equiparon para funcionar con un alto grado de automatización. Lo normal fué dotar a estas instalaciones de hornos túnel y secaderos artificiales de diversos tipos.;Paralelamente a la construcción de nuevas plantas, se produjo una activa corriente de modernización de las existentes. A los aumentos de producción, se
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unió la preocupación por aumentar la calidad, por proteger el medio ambiente y por mejorar las condiciones de trabajo.
Esta activa transformación de una parte importante del sector ladrillero fue acompañada en muchos casos por un abandono del carbón en favor del fuel-oil. Los anticuados sistemas para quemar combustibles sólidos no se adaptaban a los nuevos esquemas industriales, y como los combustibles líquidos eran fáciles de manejar y podían adquirirse entonces a bajos precios, la opción resultaba bastante clara. El hecho ílie que, en pocos años, la industria ladrillera dejó prácticamente de consumir carbón.
Los restantes combustibles sólidos, tales como leña, serrín, cascara de almendra, orujo, cascara de piñón, etc., por ser consumidos preferentemente por industrias locales de menor entidad, no experimentaron grandes altibajos en su uso.
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Si se analizan los datos, en valor, de la suma de combustibles, carburantes y lubricantes usados por la industria de tierra cocida en los años 1965 y 1971 , puede verse que el carbón representaba un 67^/o en el año 1965, y solamente un 29^ /o en 1971. En contrapartida, el fuel-oil, que en 1965 suponfa un lO^ /o , alcanzó un 46^ /o en 1971. La leña y otros productos varios se mantuvo en un 19^/o a lo largo de ese mismo período. El proceso de transformación a combustibles líquidos fue avanzando después de 1971 hasta hacerse casi completo pocos años más tarde.
Ahora ha hecho un quiebro la historia, y por curiosas, complejas y no bien asimiladas razones, el grifo de los com-butibles líquidos ha comenzado a cerrarse, al menos para los ladrilleros.
La actual estructura industrial de la ladrillería, y la imperiosa necesidad de restringir el consumo energético, no permiten volver, sin más, a utilizar los combustibles sólidos como antes. Los viejos sistemas de quemado de sólidos son totalmente inadecuados. Sin embarco, la alternativa de usar cobustibles sólidos es hoy preferente, o sencillamente única.
La situación, vista en forma esquemática, es la siguiente: El grifo de los combustibles líquidos se ha cerrado. Hay que usar combustibles sólidos. Los sistemas de quemado de sólidos que se arrinconaron hace años son anticuados y no se adaptan a las necesidades industriales de hoy. Hay que buscar otros nuevos.
En los últ imos años, esta inquietud por poner a punto sistemas de combustión de sólidos adaptados a la industria ladrillera, se ha visto reflejada en mul t i tud de realizaciones prácticas que han surgido en diversos países, unas veces con el desarrollo de nuevas ideas, y otras, con el desempolvado y actualización de ideas y sistemas, que la irrupción del
fuel-oil y del gas hicieron arrumbar. Tenemos la seguridad de que este movimiento de resu
rrección de procesos que ahora estamos presenciando, pondrá en manos de los fabricantes de ladrillos las soluciones p-ácticas para el quemado de combustibles sólidos que tan urgentemente necesitan.
La industria ladrillera es una gran consumidora de energía, no solamente por sus grandes volúmenes de producción, sino también por su elevado consumo específico.
Un elevado consumo específico de energía cara para la fabricación masiva de productos muy baratos, como son los ladrillos, supone, en el momento actual, una incidencia del renglón energético en el costo de fabricación que en algunos productos supera el 50^ /o . Hace solamente unos años, esta incidencia no rebasaba el 25^/o.
El componente energético siempre ha sido importante en la economía de la fabricación de ladrillos. Hoy es crí t ico.
A la preocupación general del ahorro energético, se suma ahora la necesidad urgente de abandonar unos combustibles para sustituirlos por otros, con todas las implicaciones que ello lleva consigo. Además, se hace necesario reconsiderar si las pastas arcillosas utilizadas habituaímente son las más adecuadas para lograr bajos consumos energéticos. Otro aspecto que debe considerarse es la posibilidad de incorporar combustibles a la masa, como medio de conseguir un ahorro energético adicional y de utilizar reservas energéticas de bajo precio.
2. COMPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CARBONES 2.1. Composición.
Los combustibles sólidos están compuestos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y sustan-
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TEMPERATURA DEL MATERIAL
Fig. 1.— Condiciones para el autocalentamiento (Según P.F. Bee-ver. Spontaneous combustion, BRE. Information Paper IR 6 /82 . Mayo 1982).
cias minerales. Los únicos elementos que aportan calor durante la combustión son el carbono, el hidrógeno y el azufre. De ellos, los dos primeros son deseables y el ú l t i m o , indeseable, por formar gases sulfurosos que, con el agua, se transforman en ácidos corrosivos.
El carbono total puede considerarse dividido en dos fracciones: a) En una de ellas, el carbono está combinado con el hidrógeno y alguno o algunos de los elementos oxígeno, nitrógeno y azufre para formar los compuestos orgánicos que constituyen la mayor parte de las llamadas "materias volátiles", b) En una segunda fracción, el carbono no está combinado y se halla en forma residual constituyendo el llamado "carbono f i jo*' .
El azufre también puede considerarse dividido en dos fracciones: a) Fracción orgánica, en la cual está combinado con el carbono, hidrógeno y, a veces, otros elementos,y forma parte de las llamadas materias volátiles.b) Fracción inorgánica, en la cual forma parte de sulfuros, tales como piritas o marcasitas, y de sulfatos tales como yeso y sulfatos de hierro o aluminio.
El nitrógeno, contenido esencialmente en la fracción orgánica, se libera como amoniaco durante la destilación.
Las sustancias minerales que contiene el carbón se dividen asimismo en dos cateogrías: a) Sustancias minerales f i jas que provienen de la propia sustancia vegetal de la cual se formó el carbón, y también de las finísimas partículas minerales que aparecen íntimamente mezcladas, b) Sustancias minerales libres, ajenas a la materia carbonosa, que pertenecen a las rocas de formaciones colindantes, y que han sido mezcladas mecánicamente, la diferencia entre ambas fracciones es que la sustancia mineral f i ja es prácticamente inse-
/parable del carbón, y la libre puede separarse por medios industriales.
Las cenizas se originan durante la combustión por transformación de las sustancias minerales originales. Los sulfuros se oxidan, los carbonatos y sulfatos se descomponen y reaccionan con la sílice o las fracciones silicatadas, las sus-
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tancias arcillosas se deshidroxilan y reaccionan también de diversos modos con los óxidos presentes. El resultado de todo ello es, pues, un producto complejo de reacción que difiere notablemente de la sustancia mineral que conten Ta el carbón.
Se desea que las sustancias minerales estén en la menor proporción posible porque: a) Disminuyen el poder calorífico, b) Constituyen un peso muerto en el transporte y c) Una vez transformadas en cenizas, producen trastornos dentro del horno.
Los buenos carbones no dan más de un 6^/0 de cenizas, los regulares de 6^/0 a 12^/o, los mediocres de 12^/o a 30^/0, y los que sobrepasan el 30^/o tienen poco valor comercial.
La fusibilidad de las cenizas constituye un importante parámetro a considerar, ya que las cenizas que funden a baja temperaturas forman escorias y atacan a los refractarios de las paredes, o manchan los ladrillos que se están cociendo en los hornos.
Se considera una fusibilidad favorable cuando la ceniza funde más de 1500^C, regular cuando funde entre 1500 y 1200^C, y desfavorable cuando funde a menos de 1200^C. Esta clasificación tiene solamente un valor relativo, porque la fusibilidad aceptable dependerá en último término de las temperatura máximas a que van a estar sometidas las cenizas, del modo en que va a ser usado el combustible, y de la naturaleza de las sustancias sólidas con las cuales se va a poner en contacto.
La fusibilidad de las cenizas está condicionada por su composición química, y como ésta es muy compleja, no es fácil establecer una relación entre ambas. De todos modos, si se prescinde de los componentes minoritarios, se puede establecer una relación orientativa, según la cual la temperatura de fusión aumenta al aumentar la razón: AI2O3 + Si02/Fe203 4- CaO + MgO, y dentro de un mismo valor de esta razón, la temperatura de fusión aumenta al aumentar la razón: AI2O3/SÍO2.
La humedad total de los combustibles sólidos, según su grado de retención, puede dividirse en dos fracciones: a) La humedad accidental, que se elimina por exposición del combustible al aire ambiental, y b) La humedad higroscópica que, por estar retenida más íntimamente por fuerzas capilares y por absorción, solamente se expulsa mediante calentamiento a 105^C durante una hora o más. La línea, de separación entre ambos niveles de humedad no está bien definida, y tiene solamente una significación de orden práctico, ya que en el secado al aire ambiental, no quedan definidas ni la temperatura ni la humedad del aire.
El contenido en humedad de los combustibles sólidos es un factor indeseable por tres razones: a) Porque absorbe calor durante su evaporación y hace disminuir la cantidad de calor útil del combustible, b) Porque supone un peso adicional en el transporte, y c) Porque, en el caso de combustibles pulverizados, cuando la humedad sobrepasa determinados límites, se*producen adherencias y aglomeraciones que dificultan su manejo. Este comportamiento es muy de tener en cuenta cuando se quiere asegurar una buena regularidad y fluidez en el funcionamiento de las instalaciones.
Por simple analogía formal, deberíamos citar aquí otro tipo de agua que se desprende, que es el agua formada químicamente durante la combustión de la fracción hidrogenada del combustible. Esta fracción de agua no cabe en el concepto normal de humedad del combustible, pero no tiene significación al definir su poder calorífico.
2.2. Poder calorífico. El agua, recién formada en la combustión, se halla en es
tado gaseoso. Sin embargo, a efectos de balance térmico.
podemos considerar dos posibilidades, o que quede finalmente el agua en forma gaseosa, o que se enfríen los gases de la combustión hasta condensarla en forma líquida. El poder calorífico es distinto en un caso y en otro. Si el agua queda finalmente en forma líquida, se recupera el calor de vaporización, mientras que si queda en forma de vapor, dicho calor no se recupera. Así, pues, un mismo combustible posee dos valores de poder calorífico: a) Un poder calorífico superior, calculado considerando que el agua, después de la combustión, queda en estado sólido, y b) Un poder calorífico inferior en cuyo cálculo se considera que el agua queda como vapor en su estado final.
El agua de que estamos hablando es el agua química formada durante la combustión, pues se considera que el combustible de partida está totalmente seco.
Si, por el contrario, el combustible está húmedo, esta fracción de agua, de naturaleza física, se evapora y absorbe calor. Durante el enfriamiento, podemos considerar, como antes, que dicha agua quede finalmente en estado líquido o en estado de vapor. En el primer caso se recupera el calor de vaporización, y en el segundo no.
El esquema general comprende dos poderes caloríficos, superior e inferior, para el caso de combustible húmedo.
A efectos de comparación, suele emplearse el poder calorífico superior del combustible seco, para evitar el factor de variación que supone la humedad. Sin embargo, en la práctica se prefiere el valor del poder calorífico inferior del com-.bustible sin secar, ya que es con su humedad normal como se va a utilizar, y además los gases de la combustión salen a temperaturas suficientemente altas para que la condensación del agua no se produzca.
El poder calorífico del carbón puede determinarse, o bien experimentalmente, usando técnicas calorimétricas, o bien por cálculo, basándose en fórmulas aproximadas. El cálculo mediante esta fórmulas requiere conocer o el análisis químico elemental, o el contenido en carbono fijo y en materias volátiles.
El contenido en humedad se determina por desecación del carbón durante 1 h. a lOS^C. Las materias volátiles se determinan por calentamiento de la muestra de carbón en un crisol tapado, durante 7 minutos a 950^C. La ceniza es el residuo que queda después de la combustión total de la sustancia carbonosa. El carbono fijo se determina restando de 100 los porcentajes de humedad, materias volátiles y cenizas. También puede considerarse como la diferencia entre el residuo coquizado y las cenizas.
2.3. Propiedades físicas.
Al considerar el peso específico de los carbones hay que distinguir tres valores: a) Peso específico de la propia sustancia sólida exenta de poros, b) Peso específico de los trozos de carbón, incluyendo el volumen que ocupan sus poros. Este dato es significativo en el caso de materiales porosos, como el coque, c) Peso específico bruto, determinado como el peso del carbón contenidö-en un recipiente de volumen conocido. En este caso se tienen en cuenta, no solamente los poros que puedan existir en el interior de los trozos, sino también los espacios libres entre ellos, que, a su vez están relacionados con la distribución granulométrica. El peso específico bruto es un dato necesario para conocer los volúmenes requeridos para el almacenaje.
El calor específico de las carbones varía considerablemente de unos a otros, dependiendo de su naturaleza, de su contenido en cenizas y de su humedad, pero su margen de variación suele estar comprendido entre 0,26 y 0,37 cal/g^C.
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La estabilidad de tamaño de los carbones es un modo de expresar su resistencia a la rotura durante el manejo y el transporte. Según la norma A.S.T.M. D440-37T, se determina dejando caer dos veces 50 libras de carbón desde una altura de 6 pies, sobre una plancha de acero. Conociendo la distribución de tamaños antes y después del ensayo, la norma establece la estabilidad de tamaño como un factor de porcentajes.
El índice de molturabilidad constituye otra forma de ver la resistencia de los carbones, y significa la relativa facilidad con que pueden ser molidos.
La A.S.T.M. ha adoptado dos métodos para medir este índice. En uno de ellos se hace uso de la máquina de Hard-grove (A.S.T.M. D409-37T), y en otro de un molino de bolas (A.S.T.M. D408-37T).
Según el método de Hardgrove, se utiliza un pulverizador de bolas con ocho bolas de 2,54 cm. La presión de las bolas, lograda por aplicación de pesos muertos, es de 29 Kg en total. Se carga una muestra de 50 g de carbón de tamaños comprendido entre 16 y 30 mallas, y se hace girar el molino 60 revoluciones. Se pasa el producto a través de un tamiz de 200 mallas. El índice de Hardgrove se define como "13 más el peso en gramos de los finos obtenidos, multiplicado por 6,93''.
Según el método del molino de bolas, se determinan las cantidades relativas de energía requeridas para pulverizar diferentes carbones, colocando la muestra de carbón en un molino de bolas y hallando el número de revoluciones requerido para molerla hasta que el 80^/o de la muestra pase por un tamiz de 200 mallas.
2.4. Comportamiento ténnico.
En una visión general simplificada del comportamiento térmico de los carbones, hay que considerar, por una parte, las profundas alteraciones que se producen por calentamiento en ausencia de aire y, por otra, la destrucción por combustión en presencia de aire.
2.4.1. Coquización.
a) La carbonización o coquización se produce cuando se calienta un carbón o una mezcla de carbones en una retorta, en ausencia de aire.
El carbón así tratado se descompone en unos gases combustibles, en unas sustancias complejas condensables, y en un residuo sólido de coque.
Desde el punto de vista práctico, se desea que los carbones usados den buenos rendimientos de gas, formen un coque coherente de buena resistencia, contenga no más de 1,5^/o de azufre y 9 % de cenizas, y no se expandan en el horno durante su calentamiento. Una tendencia excesiva a la expansión puede producir considerables presiones sobre las paredes del horno. Existen métodos de ensayo para determinar los índices de hichamiento de los carbones.
Veamos ahora, sucintamente, la secuencia de las transformaciones que tienen lugar durante el calentamiento gradual de una mezcla de carbón bituminoso molido.
Al principio se produce un lento desprendimiento gaseoso. Los gases que se liberan en esta etapa inicial son dióxido de carbono, monóxido de carbono y vapor de agua. Al ir elevándose la temperatura, va variando la composición de los gases que se desprenden. Comienzan por aparecer trazas de hidrocarburos gaseosos, especialmente metano. Si se continúa calentando, se desprenden productos volátiles que contienen ya hidrocarburos condensables. De todos modos, la velocidad de desprendimiento de gases y vapores se man
tiene moderada hasta que se alcanza la temperatura de reblandecimiento del carbón.
Los carbones no funden a una temperatura bien definida. Cada uno de ellos posee un intervalo de temperaturas en el cual se forman sustancias líquidas en cantidades suficiente para que el carbón se aglomere en una masa de partículas más o menos coalescidas.
La velocidad de desprendimiento de productos volátiles experimenta un rápido crecimiento cuando se calienta el carbón por encima de la temperatura de reblandecimiento. Al elevarse la temperatura lo suficiente para que alcance el carbón el estado piroplástico, los gases que.se desprenden forman burbujas en su seno y avanzan hacia el exterior, configurando una textura esponjosa.
A medida que progresa la descomposición del carbón, con desprendimiento de sustancias volátiles, va disminuyendo su plasticidad, y las burbujas quedan retenidas finalmente en una estructura celular bastante rígida. Una vez alcanzado este estado, la salida ulterior de sustancias gaseosas solamente es posible, o por difusión a través de las paredes celulares, o a través de grietas producidas en la estructura.
A temperaturas todavía más altas se siguen desprendiendo sustancias volátiles al tiempo que se inicia una contracción de la masa de coque. La progresiva eliminación de volátiles va acompañada de una disminución de la reactividad del coque y de un aumento de su resistencia y su dureza.
El margen de temperatura en el que se produce el reblandecimiento de los carbones fusibles es relativamente estrecho, y no suele pasar de los 50^C, aunque en algún caso excepcional pasa de los lOO^C. La mayoría de estos carbones empiezan a reblandecer por debajo de los 410^C, y terminan antes de alcanzar los 500^C.
La estructura y posterior comportamiento del coque formado al concluir el estado plástico, depende, entre otros factores, de la velocidad del desprendimiento gaseoso, de la fluidez desarrollada, y de la velocidad de aumento de la temperatura.
Se han propuesto diferentes procedimientos dilatométri-cos y plastométricos para determinar la temperatura a la cual comienza el comportamiento plástico. Un método distinto consiste en hacer pasar una corriente de gas inerte, a velocidad constante, a través de una columna llena de carbón triturado, cuya temperatura va siendo elevada gradualmente. El comienzo del reblandecimiento del carbón se manifiesta por un señalado aumento de la resistencia al tlujo gaseoso a través de la columna.
2.4.2. Combustión.
El resultado global de la combustión es la combinación del carbono y del hidrógeno del combustible con el oxígeno del aire para dar dióxido de carbono y agua, más una determinada cantidad de calor. Si existe azufre, se forma además SO2.
Como ejemplo, veamos el esquema de combustión en un hogar con alimentación superior. Sobre la parrilla existe una capa de ceniza, y encima de ella está situado el carbón en ignición. El aire primario entra por la parrilla y asciende. Nuevo carbón es alimentado sobre el lecho existente.
Empezando por abajo, pueden establecerse cuatro zonas: 1.— Zona de ceniza, inmediatamente encima de la pa
rrilla, en la cual la ceniza protege a la parrilla de un exceso de temperatura y, al mismo tiempo, facilita el precalenta-miento del aire que entra.
2.— Zona de oxidación, con aire abundante recién ingresado, en la cual se produce la combinación exotérmica del carbono con el oxígeno para dar dióxido de carbono.
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3.— Zona de reducción, ya pobre en oxígeno, en la cual parte del CO2 formado en la zona de oxidación se reduce a monóxido de carbono por reacción con nuevo carbono.
4.— Zona de destilación, en la cual destila la sustancia volátil del carbón nuevo añadido sobre el lecho en ignición.
Tanto las sustancias volátiles destiladas en esta zona, como el monóxido de carbono que procede de la reducción del CO2 en la zona inferior, arden sobre el lecho de carbón si se dan las circunstancias siguientes:
a) Existe suficiente aire secundario. b) Se produce una buena mezcla de dicho aire con los
gases combustibles. c) La mezcla gas-aire alcanza una temperatura superior a
la de ignición. Si no se da alguna de estas circunstancias, disminuye la
eficiencia de la combustión y se producen humos. La velocidad de quemado del carbón está determinada
por la velocidad de admisión de aire primario por debajo de la parrilla. La eficiencia de la combustión depende del control de admisión de aire secundario.
2.4.3. Combustión espontánea.
La combustión espontánea es el proceso de ignición de una masa de material sin la intervención de fuente externa alguna de ignición. No nos referimos a aquellas sustancias que son inflamables en el aire, o son explosivas, o son claramente inestables. El concepto de combustión espontánea es aplicable exclusivamente a sustancias que, generalmente, son consideradas como estables en el aire de la temperatura ambiente.
Se llama autocalentamiento al proceso por el cual una masa de material adquiere una temperatura superior a la ambiental como resultado de reacciones exotérmicas que se producen en la propia masa o en su superficie. Si en este proceso se alcanza una temperatura suficientemente alta para iniciar la combustión, decimos que se ha producido ignición espontánea. Cuando después de un cierto grado de autocalentamiento, se dispara el proceso con un rapidísimo aumento de la temperatura, y se produce fuego —o incluso explosión, si las condiciones gaseosas son propicias— podríamos muy bien decir que se ha producido un desbocamiento térmico.
El autocalentamiento se produce sencillamente porque la masa genera calor a una velocidad superior a la que puede disiparse en el ambiente que le rodea. Para comprender el fenómeno, hay que analizar, por una parte, los mecanismos de todos los procesos exotérmicos que puedan ocurrir, y por otra, los modos de conducción y disipación del calor producido. El autocalentamiento se produce cuando se rompe el equilibrio entre ambos procesos globales.
Con muchísima frecuencia, las reacciones responsables de la producción de calor corresponden a la oxidación de la sustancias tólidas en contacto con el aire.
Cuando se almacena al aire el carbón, se produce una lenta oxidación de su carbono y de su hidrógeno, y también de las piritas que lo impurifican.
A temperatura ambiente estas reacciones son lentas, pero de velocidad medible. El crecimiento exponencial de la velocidad de reacción con la temperatura y, por tanto, la liberación de calor en estas reacciones aceleradas, contrasta con los comportamientos lineales de transmisión de calor a través de la superficie de los sólidos.
El calor se libera según la curva H (fig. 1). La pérdida de calor a través de la superficie sigue a menudo la recta A.
Cuando el sólido se halla inicialmente a la temperatura T^ , que es la ambiental, la generación de calpr es superior a la pérdida, y se produce u n calentamiento! El calentamiento continúa hasta que se alcanza la temperatura de intersección de la curva H con la recta A, que supone una situación estable, porque ambas velocidades, de generación y de pérdida de calor, se igualan.
Si la temperatura ambiente fuese Tß, la velocidad de pérdida de calor seguiría la línea B. Cuando se parte de esa teperatura, la velocidad de generación de calor, que indica la curva H, es siempre superior a la pérdida de calor, que indica la línea B, con lo cual jamás se alcanza el equilibrio, y el calentamiento se desboca hasta producir la ignición.
La temperatura inicial T^ siempre conduce al equilibrio, porque la línea A cruza la curva H. La temperaturaTg conduce al autocalentamiento ilimitado porque la línea B no tiene ningún punto común con la curvea H. Entre ambas existe una temperatura T^, llamada crítica, porque la línea C es tangente a la curva H, y separa los campos de seguridad y de peligro. A temperaturas superiores a TQ existe riesgo de ignición. La velocidad de oxidación en la mayoría de los carbones es muy lenta por debajo de los 50^C. Entre los 70^ y 80^C suele hallarse la temperatura crítica.
En general, se admite que un gran contenido en azufre y un elevado porcentaje de materias volátiles son factores que favorecen la combustión espontánea. También la favorece la humedad, aunque sus efectos son complejos, porque existen acciones antagónicas. En muchas sustancias, la presencia de pequeñas cantidades de humedad aumenta la velocidad de oxidación y, por tanto, la velocidad de generación de calor. También la humedad estimula la acción biológica de microorganismos que producen calor como resultado de su respiración. Ambas acciones favorecen el autocalentamiento.
La humedad actúa también en sentido inverso porque aumenta la conductividad térmica y favorece la disipación del calor que se genera.
Al analizar los factores que intervienen en el proceso del autocalentamiento, hay que distinguir claramente entre los parámetros geométricos y físicos del material, propiamente dicho, y los que corresponden al apilamiento. Es evidente que las condiciones de aireación para la oxidación, y de transmisión de calor para el enfriamiento, no son las mismas en un trozo de carbón aislado que en ese mismo trozo situado profundamente en un apilamiento.
Si la reacción exotérmica es esencialmente superficial, y se produce en la interfase sólido-gas, es evidente que se estimulará cuando se aumente dicha superficie. Los sólidos muy molidos y de estructura porosa son los que poseen mayor superficie de reacción y, por tanto, mayor facilidad para producir calor. Según este concepto, cuanto más menudo sea el carbón, mayor peligro ofrece de experimentar la com-butión espontánea. El carbón en trozos gruesos y limpios es el que ofrece menor peligro.
En relación con este hecho cabe hacer una recomendación importante. Al hacer el apilamiento hay que evitar que se produzcan segregaciones de los tamaños finos. En las acumulaciones de carbón fino, producidas por segregación de tamaños en los apilamientos, existe especial peligro de que se inicie el fuego. En los apilamientos cónicos se dan favorables circunstancias para que los trozos de carbón rueden selectivamente por las laderas y se originen segregaciones de tamaños. Los apilamientos en capas ofrecen menos oportunidades a la segregación y, por ello, son mucho más deseables desde el punto de vista que ahora nos interesa.
Por efecto del calentamiento progresivo se alcanzan tem-peaturas a las cuales destilan sustancias volátiles del carbón.
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que reaccionan en mezcla gaseosa con el oxfgeno del aire. Este mecanismo de destilación y reacción en fase gaseosa, ya no responde a los esquemas estrictamente superficiales que prevalecen a temperaturas inferiores.
La generación de calor, desde el punto de vista químico, responde a reacciones diversas que se desarrollan según mecanismos también muy diversos.
La pérdida de calor del carbón sólido tiene lugar, evidentemente, a través de su superficie, pero el proceso ffsico se complica al considerar apilamientos de formas y tamaños diversos, compuestos de carbones de distintas granulóme-trías.
2.4.4. Recomendaciones para la seguridad en el almacenamiento del carbón.
Para disminuir el riesgo de combustión espontánea en los parques de carbón conviene tener presentes las siguientes recomendaciones:
1.— Procurar que durante el transporte y el apeamiento del carbón no se produzcan excesivas segregaciones de tamaños, con acumulaciones locales de finos.
2.— Evitar que en los apilamientos incidan fuentes externas de calor.
3.— El apilado no debe efectuarse en tiempo caluroso. 4.— No apilar carbón recientemente extraído. Si los
carbones tienen tendencia al autocalentamiento, esta tendencia es más alta durante las semanas siguientes a su extracción, y el peligro de combustión espontánea va disminuyendo a medida que pasa el tiempo. Es raro que se produzca la combustión espontánea en carbones que han sido expuestos a la intemperie durante más de un año. Por exposición a la intemperie el carbón va perdiendo lentamente alguna cantidad de materias volátiles, y va disminuyendo un poco su poder calorífico.
5.— En la formación del apilamiento se pueden seguir dos criterios distintos: a) Alta ventilación. Hacer apilamientos bajos y proveer conductos de ventilación apropiados para disipar el calor. Se acepta que el carbón va a sufrir libremente la oxidación superficial en exceso de aire, pero se facilita al máximo la evacuación del calor producido, b) Oxigenación limitada. Hacer apilamientos compactos, bien apisonados, rodeados de paredes impermeables. Un caso extremo de oxigenación limitada para impedir la combustión espontánea es el de sumergir el carbón bajo agua. Este procedimiento se practica muy rara vez.
6.— Cuanto más fino es un carbón y cuanto mayor es su contenido en materias volátiles, menor es la altura permi-sibe de apilamiento. Un carbón menudo, con más de 18°/o de materia volátiles, no ha de tener una altura de apilamiento superior a los 3,5 metros. Cuando el carbón es grueso y contiene menos del 1 8 % de materias volátiles, pueden formarse apilamientos de hasta 6,5 m de altura.
7.— Cuando se dispone de grandes máquinas para mover y transportar el carbón, y al mismo tiempo el apilamiento está circundado por bocas de incendio con abundante disponibilidad de agua, se pueden hacer apilamientos de 9 metros o incuso más. Si no se dispone de máquinas adecuadas ni de bocas de incendio, no deben sobrepasarse los 34 metros. En resumen: Carbón grueso, bajo contenido en volátiles y disponibilidad de grandes máquinas y bocas de incendio, altos apilamientos. Bajos apilamientos cuando ocurre lo contrario.
8.— Un carbón muy húmedo no debe apilarse con otro muy seco.
9 . - Se debe establecer un sistema de vigilancia de la temperatura del interior del apilamiento. Para ello se intro
ducen tubos metáleos terminados en punta y soldados en su extremo, a profundidad de unos 50 cm del suelo. Dentro de cada tubo se aloja un termómetro de máxima. Las distancias entre tubos dependen de la peligrosidad del carbón y de las circunstancias de apilamiento, y pueden variar entre 3 y 10 metros.
Cuando en alguna zona existan temperaturas próximas a los 50*^C, debe iniciarse la alerta. Si la temperatura pasa de los 60^C debe procederse al aislamiento de la zona afecta-ua. rara atacar el foco de sobrecalentamiento se debe abrir un hoyo en el apilamiento hasta llegar a ei; empapando el carbón que se va sacando, con abundante agua. Al Negar al foco, hay que inundarlo con gran cantidad de agua. Un simple rociado para humedecer el carbón resulta cotraprodu-cente.
10.- .La combustión espontánea de un apilamiento de carbón se inicia generalmente en una zona profunda, y se manifiesta externamente por el desprendimiento de vapores blancos o ligeramente azulados, de vapor de agua y de sus-tacias volátiles. Si, por desgracia, ocurre esto, hay que tomar inmediatamente las drásticas medidas que se acaban de describir para aislar el foco y extinguir el sobrecalentamiento.
3. ALIMENTACIÓN DE LOS HORNOS CON COMBUSTIBLES SOLIDOS.
Los alimentadores intermitentes de carbón, neumáticos o mecánicos, situados sobre la bóveda de los hornos de ladrillería, que antes eran de uso común, pueden ser sustituidos con ventaja por quemadores que insuflan mezclas de carbón pulverizado y aire.
En general, las instalaciones requeridas para quemar carbón pulverizado en las fábricas de ladrillos están equipadas para las siguientes operaciones: Almacenaje, trituración y molienda, preparación de la mezcla combustible-aire, distribución de dicha mezcla a los puntos de fuego, e impulsión de la mezcla al interior del horno.
Existen dos alternativas principales: 1) Utilizar pequeñas unidades autónomas, que consiste en molinos inyectores de carbón, de pequeño tamaño, situados encima del horno, que trituran el carbón e insuflan directamente en el horno la mezcla de carbón y aire. 2) Utilizar una instalación centralizada para la molienda del carbón, con los necesarios dispositivos para seleccionar los tamaños de grano, para realizar la mezcla de carbón y aire, y para alimentar esta mezcla en los puntos de fuego. Esta última alternativa es más perfeccionada y permite una mayor automatización y regulación, que se traduce en una mayor homogeneidad y regularidad en la cocción de los ladrillos.
Antes de pensar en ningún tipo concreto de instalación, hay que conocer la disponibilidad de combustibles. Ello supone estudiar las posibilidades de suministro, las características técnicas, los precios, tanto de carbones como de residuos vegetales de diversos tipos, y los costos de transporte. Se desea que el combustible elegido posea unas buenas características técnicas, y que pueda ser suministrado regularmente en cantidades adecuadas y con una aceptable constancia de calidad. Además, se suelen hacer, aunque con dudoso éxito, malabarismos futurológicos acerca de la evolución de los precios del combustible preferido y de otras posibles alternativas.
De la instalación se espera que —aparte de las necesarias condiciones de eficiencia y seguridad— posea una razonable flexibilidad para adaptarse a las variaciones que pudieran producirse en la calidad o en la naturaleza de los combustibles.
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Las características principales a considerar en los combustibles sólidos son las siguientes:Poder calorífico, contenido de humedad, contenido de cenizas, fusibilidad de las cenizas, contenido de materias volátiles, contenido de carbono fijo, granulometrfa, densidades real y aparente, temperatura de inflamación, abrasividad, y agresividad de los productos de la combustión.
En cuanto a la instalación, se deben discutir y comprobar los siguientes aspectos: a) Posibilidad de descarga, almacenamiento y transporte interno, b) Modificaciones técnicas a llevar a cabo y coeficiente de rendimiento previsible, c) Control durante el almacenamiento, el transporte y el proceso de combustión, d) Disponibilidad del combustible, con respecto a cantidad, calidad y seguridad de suministro, e) Eliminación de la ceniza y mantenimiento de la limpieza del aire, f) Limitaciones de las emisiones, de acuerdo con la reglamentación local, g) Corrosión, h) Gastos de inversión y servicio, i) Tiempo de amortización.
Al proyectar la instalación, se debe considerar deseable el logro de una serie de características, tales como: a) Regulación automática de la temperatura, b) Regulación individual de la altura de combustión en cada punto de fuego, c) Regulación individual del caudal de combustible en cada punto de fuego, d) Flexibilidad de adaptación a distintos combustibles, e) Compatibilidad con los equipos existentes para quemar combustible líquido, permitiendo la fácil sustitución total o parcial de los mismos, f) Buen rendimiento y larga duración del equipo de molienda, g) Capacidad del equipo de molienda para la producción económica de la gra-nulometría deseada, h) Suficiente capacidad de almacenaje en las distintas etapas del proceso, i) Racionalidad en el transporte de la materia sólida en las diversas fases, j) Estan-queidad y seguridad de la instalación, k) Eficacia del sistema de captación de cenizas y de limpieza del material cerámico cocido. 1) Posibilidad de captación de gases sulfurosos.
Como objetivo último se desea lograr una cocción homogénea y económica de los ladrillos, lo cual supone que hay que inyectar la mínima cantidad de combustible sólido pulverizado, con una granulometría y una mezcla de aire adecuadas, para que se distribuya en el horno de tal modo de la combustión sea lo más completa posible, y que de tal combustión resulten las mejores condiciones de transmisión de calor a los ladrillos para que éstos alcancen análogas temperaturas.
En cualquier razonamiento que se haga acerca de la cocción industrial de los ladrillos, hay que tomar en consideración que éstos se cuecen en paquetes o apilamientos bastante compactos, con unos espaciados entre paquete y paquete y entre éstos y ías paredes y la bóveda del horno. También hay que tomar en consideración que el objetivo que se persigue es la cocción homogénea de los ladrillos. Por una parte se desea lograr homogeneidad de temperatura en la sección transversal del horno, y por otra, lograr que el calor penetre en el interior de los paquetes a la mayor velocidad posible.
El tamaño de las partículas del combustible y la velocidad con que son inyectadas, condicionan el modo de combustión y el lugar donde libera el calor cada una de ellas.
Una partícula gruesa que cae libremente arde en las zonas bajas del horno —bien sea suspendida en el aire o apoyada sobre el suelo o sobre cualquier otra superficie sólida— y tarda mucho tiempo en hacerlo. Por el contrario, una partícula fina arde suspendida en el aire, y lo hace en un tiempo muy corto y en la parte alta del horno.
Una partícula que arde en el espacio libre entre paquetes de ladrillos cede su calor a la masa gaseosa principal. Por el
contrario, una partícula que logra penetrar en el interior de un paquete, arde y cede su calor en un entorno más estático y más frío, y contribuye a homogeneizar la temperatura del paquete.
La ceniza que resulta de la combustión de una partícula en el interior de un paquete tiende a quedar atrapada en él.
Las finas partículas de combustible que arden en el seno de la masa gaseosa principal ceden sus cenizas a dicha masa, y esas cenizas tienen muchas probabilidades de viajar lagas distancias hasta que encuentran ocasión de depositarse. Incluso pueden no llegar a depositarse en el interior del horno y ser expulsadas de él con los gases de la combustión.
Las partículas que arden en el interior de los paquetes contribuyen a la homogeneización de la temperatura en su interior, pero, debido a la poca aireación existente, pueden llegar a crearse unas condiciones reductoras que impidan la combustión total, y produzcan inquemados. Asimismo, puede modificarse el color y la fusibilidad cíe los ladrillos, al tiempo que se estimulan las reacciones con las propias cenizas. La combustión en el interior de los paquetes es deseable solamente en la limitada medida que permita la aireación interna.
Unos combustibles, al arder, emiten mas energía luminosa que otros. Los ladrillos son opacos y, por tanto, la energía luminosa no contribuye especialmente al calentamiento del interior de los paquetes ni del interior de los ladrillos.
El contenido en materia volátil de una partícula de combustible que es inyectada en el horno a gran velocidad, se quema en lugar distinto de aquel en que lo hace el residuo de carbono fijo.
La cantidad y la naturaleza de las sustancias volátiles influyen notablemente sobre el esquema geométrico global de la combustión dentro del horno. A ésto hay que añadir las diferencias de velocidad de circulación de los gases en el exterior y en el interior de los paquetes de ladrillos, que tanta significación tienen en la transmisión del calor y en la composición química de la atmósfera.
El lograr homogeneidad de temperatura en la cocción de los ladrillos, sin incurrir en largos y costosos ciclos térmicos, no es, pues, asunto fácil, y requiere una cuidadosa optimiza-ción de todos los parámetros que intervienen.
Otro interesante aspecto a considerar es el de las interacciones de la atmósfera —más o menos sulfurosa— y de las cenizas —más o menos fusibles y reactivas— con los ladrillos que se hallan en proceso de cocción. Se desea que no afecten negativamente a su color, ni a la distribución del mismo, que no produzcan ataques superficiales a los ladrillos, y que no exalten su eflorescibilidad.
En cuanto a las cenizas y al azufre —que son dos componentes indeseables— no hay más que dos alternativas, o evitarlos en lo posible, o neutralizar adecuadamente sus efectos.
4. ADICIÓN DE COMBUSTIBLES A LAS MASAS ARCILLOSAS PARA LA FABRICACIÓN DE LADRILLOS.
La incorporación de combustibles a las arcillas para la fabricación de ladrillos se viene haciendo desde hace mucho tiempo. Hoy, sin embargo, se hace con un enfoque nuevo.
Como cualquier innovación industrial, estas adiciones tienen su cara positiva y su cara negativa.
La imagen favorable está formada por los siguientes rasgos:
a) Posibilidad de acortar notablemente el ciclo de cocción. El calor se genera en el interior de la pieza y, por ello, disminuyen los gradientes de temperatura. Al no depender
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exclusivamente el calentamiento del interior de la pieza del transporte de calor por conducción, se puede aumentar la velocidad de cocción sin establecer peligrosos gradientes de temperatura.
b) Se logra una mayor homogeneidad de la distribución de la temperatura y, por tanto, una mejora de las propiedades.
c) Es posible obtener piezas más ligeras con buenas propiedades mecánicas.
d) El combustible añadido a la arcilla suele ser pobre, de bajo precio, que difícilmente podría ser utilizado para otros fines. El uso de estos combustibles residuales libera cantidades correspondientes de combustibles ricos que pueden des-tiarse a fines más nobles. Entre estos combustibles pobres ocupan un lugar destacado los residuos de la minería del carbón.
e) Existe la posibilidad de actuar favorablemente sobre el color de los ladrillos.
En contraposición a estos rasgos positivos hay que señalar las siguientes desventajas:
a) La combustión de los residuos carbonosos en el interior de las piezas cerámicas exige la entrada de oxígeno y la salida de los gases de la combustión. Todo ello ha de verificarse en el seno de un sistema capilar. La combustión se realiza así en condiciones críticas, y su regulación exige coordinar los factores texturales del ladrillo, la cantidad de combustible incorporado y su facilidad de combustión, y los factores externos que prevalecen en el ambiente del horno.
En casos de desajustes de estas variables, pueden generarse atmósferas fuertemente reductoras y producirse subidas incontroladas de la temperatura, lo cual origina fusiones prematuras, formación de corazón negro, e incluso deformaciones de las piezas. Todos estos problemas se agravan en pastas muy plásticas y muy compactas.
b) La cocción reductora de productos porosos de arcilla puede exaltar su capacidad de eflorescer.
c) Los combustibles pobres añadidos, debido a su alta o baja plasticidad, pueden modificar desfavorablemente la moldeabilidad de la masa o su comportamiento al secado o a la cocción, haciendo, por ello, necesario un reajuste'de la misma mediante otras adiciones.
d) El quemado de los granos de combustible provoca un aumento de la porosidad, que en algunos casos puede ser indeseable.
4.1.2. Calidad.
La incorporación de subproductos a las masas arcillosas no debe suponer, en ningún caso, deterioro de la calidad de los ladrillos.
Con frecuencia es posible consumir subproductos sin sacrificar la calidad, aunque ello exija introducir modificaciones en los procesos. También es posible en alguna ocasión lograr, incluso, mejoras de la calidad o la consecución de productos de calidades nuevas, que son aceptables por el mercado. En otros casos, desgraciadamente, existen graves inconvenientes de base que imposibilitan el uso de determinados subproductos.
Cuando se adquiera plena conciencia de la aplicabilidad de los subproductos y se domine su uso, se producirán interesantes modificaciones en el panorama de la industria de tierra cocida, que llegarán incluso a repercutir sobre la elección de los lugares de asentamiento.
4.1.3. Suministro.
La industria ladrillera solamente consumirá aquellos subproductos que puedan suministrarse con regularidad y en cantidades suficientes, y que además posean una razonable constancia de composición. En el teVmino composición incluímos todas aquellas variables que definen al subproducto tales como composición química global, composición mineralógica, tamaño de grano, humedad, etc.
La incorporación de un determinado subproducto a una determinada masa cerámica que ha de ser procesada en una determinada instalación, exige una larga y, a veces, costosa investigación, y también la realización de adaptaciones de la masa y de los procesos. Todo ello no puede quedar al arbitrio de una deficiente regularidad en el suministro del subproducto, en cuanto a cantidad y calidad.
Una de las preocupaciones de las industrias generadoras de los subproductos debe ser el matenimiento de esta regularidad. Como es lógico, hay que buscar un equilibrio entre los aumentos de costo que supone garantizar la regularidad y los ingresos que se derivan de la venta continuada del subproducto.
4.1.4. Contaminación.
4.1. Limitaciones para el empleo de subproductos en la industria ladrillera.
La industria ladrillera posee una gran capacidad para la absorción de subproductos de los más variados orígenes, pero esta capacidad no es ilimitada. Existen unos factores limitantes básicos que conviene recordar:
4.1.1. Economía.
El empleo de subproductos exige con frecuencia realizar unos gastos suplementarios, tanto en inversión como en explotación y mantenimiento. Estos gastos han de guardar la moderación necesaria para que la operación, en su conjunto, sea económicamente viable.
Gastos de inversión pueden ser, por ejemplo, la modificación del sistema de molienda y de preparación de la masa, la instalación de un equipo de dosificación, la construcción de silos o depósitos, etc.
La existencia de un subproducto va siempre asociada, en mayor o menor grado, al concepto de contaminación. El subproducto deja de ser un elemento perturbador cuando se integra, o en unos productos útiles, o en el entorno natural que constituye el paisaje. Nosotros pensamos ahora en la primera posibilidad.
Algunos subproductos encuentran más dificultad que otros para integrarse, o en productos útiles o en el paisaje, porque en su composición intervienen sustancias nocivas.
La industria ladrillera únicamente podrá absorber aquellos subproductos cuyo uso no suponga un mero traslado de la contaminación. No se trata de trasladar un problema, sino de resolverlo.
La industria ladrillera no absorberá subproductos que pongan en peligro la salud de sus operarios, que creen problemas de corrosión o de deterioro en sus instalaciones, o que afecten negativamente a la población, a la cabana o a la vegetación circundantes.
Algunos subproductos nocivos pueden ser absorbidos sin riesgos superiores a los normales. Otros subproductos, por el contrario, presentan unos riesgos tan elevados que su uso se hace totalmente inaceptable.
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Cada caso particular debe ser estudiado con meticulosidad para conocer hasta qué punto el proceso cerámico puede amortiguar la nocividad de los subproductos. Es bien conocido que determinados elementos se fijan y se hacen menos nocivos cuando se integran en el sustrato cerámico. Otros, por su tendencia a formar compuestos gaseosos a altas temperaturas, o por otras razones, escapan y se difunden manteniendo su peligrosidad.
Algunas fábricas, por la modernidad de su equipo, por la pulcritud de sus instalaciones y por la disponibilidad de medios para el saneamiento ambiental, están más capacitadas que otras para manejar sustancias nocivas con un riesgo limitado.
4.2. Residuos de la minería del carbón.
En los trabajos de explotación de los yacimientos de carbón, y en los procesos de lavado para su enriquecimiento se producen variados residuos, en cantidades tales que, apilados en inmensos montones, llegan incluso a modificar el aspecto de los paisajes.
La industria de materiales cerámicos de construcción, por sus especiales características, ofrece interesantes soluciones para el aprovechamiento integral de estas acumulaciones de residuos.
Los estériles contienen, por una parte, un sustrato mineral de naturaleza silicatada y oxídica y, por otra, unos residuos carbonosos. Para lograr un aprovechamiento racional del conjunto, ambos tipos de sustancias deben ser estudiadas en cuanto a su composición y morfología para descubrir qué clase de acciones cabe esperar de ellas al integrarse en el seno de la masa cerámica.
A las arcillas para la fabricación de ladrillos se les pueden añadir determinadas cantidades de estériles de la minería del carbón, con lo cual se incorpora una fracción combustible y una fracción mineral, que queda en el producto cocido.
En este uso de los estériles caben dos posibilidades: a) Hacer piezas cerámicas utilizando exclusivamente los
estériles, y b) Hacer piezas cerámicas con una masa arcillosa a la
cual se ha adicionado una moderada proporción de dichos estériles.
Tanto en un caso como en otro, la masa contiene carbono, por lo cual el combustible total quemado resulta discriminado en dos fracciones:
a) Combustible añadido al ambiente del horno para que arda en su seno, y
b) Combustible contenido en la propia masa cerámica. Cuando concurren las condiciones más favorables, esta
última fracción, contenida en la masa cerámica, se quema en su totalidad y libera todo su poder calorífico. El combustible quemado de este modo, que es barato, ahorra una cantidad equivalente de combustible añadido al horno, que es caro.
Los esquistos carboníferos provienen de arcillas antiguas que existían en la superficie del suelo en las épocas carboníferas, y que tenían composiciones análogas a las de los suelos superficiales de hoy, pero estaban mezcladas con productos de descomposición de los vegetales que dieron origen a las capas de carbón. Por acciones geológicas posteriores, estas arcillas fueron cubiertas y comprimidas junto con la masa vegetal, y adquirieron la textura laminar y la impregnación carbonosa que las caracteriza.
Los esquistos resultantes de estos largos procesos naturales han perdido buena parte de la plasticidad que seguramente tendrían las arcillas que les sieron origen, pero con
una adecuada molienda es posible, en muchos casos, regenerar la plasticidad necesaria para fabricar ladrillos por extrusión. Además, cabe la opción de mezclar esquistos de distintos grados de plasticidad y contenidos en carbono para lograr una masa cerámica que pueda ser moldeada y cocida.
En los esquistos carboníferos el carbono se halla en forma de finísima dispersión, lo cual, por una parte, elimina los problemas de mezclado del combustible, y por otra, facilita la combustión.
El poder calorífico superior suele estar comprendido entre 650 y 1100 Kcal/Kg., que es suficiente, como valor teórico, para la cocción de los ladrillos. En esquistos españoles se han determinado incluso algunos valores más altos.
Para facilitar la comparación, puede ser útil conocer que la fabricación de una tonelada de productos de arcilla cocida requiere aproximadamente 600 termias y 60 Kwh. Las sustanciales variaciones con respecto a estos valores que se hallan en la práctica, son debidas a la variedad de los productos y a la multitud de factores que intervienen en la fabricación.
En la molienda industrial de los esquistos para la fabricación de ladrillos quedan siempre granos relativamente gruesos que confieren a las masas unas texturas muy aptas para el secado. Para distintos tipos de piezas, el secado dura solamente de 3 a 5 horas.
La cocción de los ladrillos fabricados con esquistos carbonosos es la operación más delicada, y exige el estricto cumplimiento de estos dos normas:
a) Mantener una atmósfera constantemente oxidante en todos los lugares del horno, y
b) Eliminar todo el carbono por combustión manteniendo los productos a una temperatura inferior a la de vitrificación. La formación de fases vitreas bloquea los capilares e impide el transporte gaseoso necesario para la combustión del carbono.
En esta combustión interviene el vapor de agua proveniente de la deshidroxilación de los minerales de la arcilla, esecialmente de la caolinita, formando gas de agua que arde en la superficie del ladrillo.
Si la atmósfera del horno no es suficientemente oxidante, estos gases provocan una fuerte reducción de los ladrillos, modificando su color y estimulando la aparición de fases vitreas. Si, debido a la existencia de estas fases vitreas, se cierra la porosidad y se alcanza el estado piroplástico, las piezas sufren hinchamientos, deformaciones, agrietamientos, e incluso pueden producirse soldaduras de unas piezas con otras.
En los hornos Hoffmann, en los que no se puede controlar el fuego con la precisión necesaria, es aconsejable mantener la temperatura por debajo de aquella en que empiezan a cerrarse los poros, hasta la total eliminación del carbono, y después subir hasta la temperatura máxima de cocción.
En los hornos túnel, en los que el control de las temperaturas y de las atomósferas es más perfeccionado, se pueden gobernar con más precisión las fases de ignición, de oxidación y de gresificación, e incluso, en algunos casos, se puede llegar a la autococción de los ladrillos, aunque por razón del grado de gresificación deseado no es fácil evitar totalmente el uso de calor externo.
En el interior de las piezas se generará calor mientras exista combustible y mientras prevalezcan unas condiciones texturales y ambientales adecuadas para que prosiga la combustión.
En cuanto la porosidad alcanza un grando de bloqueo determinado, la combustión cesa. Está claro que, si lo que se desean son unas piezas más sinterizadas, no será posible alcanzar este estado por combustión dentro de las mismas.y
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habrá que hacerlo con aporte adicional de calor externo. Dicho de otro modo, mediante el uso exclusivo de combustible interno se pueden cocer las piezas solamente hasta que alcancen un cierto nivel de porosidad. Si se quieren obtener piezas más cerradas, cocidas correctamente, habrá que utilizar, necesariamente fuentes complementarias de calor.
El empleo de los subproductos de las explotaciones carboníferas en la industria cerámica ha despertado interés desde hace muchos años en un gran número de países, y para la fabricación de productos muy diversos.
La investigaciones iniciadas en Francia en 1948, dieron origen a la creación de 1959 de la Sociedad Surchiste (Société pour l'utilisation rationnelle des schistes) para la fabricación de ladrillos de diversos tipos, que en 1971 alcanzó una producción de 110.000 toneladas/año, solamente de los de cara vista. El consumo calorífico total, que incluye el secado de los esquistos y el secado y la cocción de los ladrillos, asciende a 130-150 termias/tonelada. El consumo eléctrico total de la fábrica es de 35 Kwh/tonelada. El rendimiento por hombre y días, incluyendo el mantenimiento y el trabajo de cantera, es superior a 4 toneladas de ladrillo, cuando el rendimiento medio de la industria francesa de este sector es inferior a las 800 toneladas/año.
También, como resultado de las investigaciones francesas, se ha montado en Lens una fábrica para la producción de áridos ligeros de esquistos carbonosos, con capacidad teórica de 300.000 m^/año. Como materia prima se utilizan esquistos de 400450 termias/tonelada, de una granulome-tría comprendida entre O y 80 mm.
El árido ligero obtenido tiene un peso específico, a granel, de 350-700 Kg/m^, su absorción de agua, después de 48 h. de inmersión, es de 6-8^/o, y sus granos son prácticamente esféricos, de diámetros 6-10 mm y 10-20 mm.
En la región inglesa de Midland existen varias fábricas de ladrillos de cara vista que utilizan lodos de los lavaderos de carbón como aditivo normal a sus pastas. Estos lodos contienen aproximadamente un 95^/o de partículas inferiores a 0,5 mm,.poseen un poder calorífico de unas 3.700 Kcal/Kg, y su humedad oscila entre el 20 y el 25^/o.
No todas las arcillas son igualmente adecuadas para recibir sustancias carbonosas como aditivo. Para obtener buenos resultados hay que vigilar:
a) La masa arcillosa que recibe el aditivo carbonoso, mezclando, si es necesario, dos o más arcillas e incorporando chamotas o desgrasantes de diversos tipos.
b) La calidad y cantidad de aditivo carbonoso. c) Las condiciones de la cocción, tanto en lo que se re
fiere al ciclo térmico como a la provisión de la necesaria atmósfera oxidante.
Alguna fábrica, por su cuenta y riesgo, y sin previa experimentación, ha añadido a su arcilla un 25^/o de lodos de lavadero, y ha obtenido los desastrosos resultados que serían de esperar. La experiencia adquirida hasta ahora ha demostrado que la máxima adición aconsejable asciende a un 7 , 5 > .
Antes de tomar ninguna decisión, es prudente realizar ensayos previos a escala de laboratorio.
A continuación se hacen ensayos en pequeña escala, por ejemplo, con 500 ladrillos, y se aumentan las adiciones de lodos en incrementos sucesivos de un 1^/o, partiendo del valor que haya resultado de las pruebas de laboratorio.
En una etapa posterior se hacen ensayos con una vagoneta de horno túnel, o con una cámara de horno, añadiendo el porcentaje óptimo de Iodo que haya resultado del ensayo anterior.
Por último se procede a un ensayo a horno completo. La evaluación del ahorro energético sólo es posible cuando se
trabaja en régimen normal a horno completo. La economía de la adición de lodos carbonosos a las arci
llas para la fabricación de ladrillos está condicionada por tres factores principales:
1.— El máximo porcentaje de lodo que se puede añadir. Este factor está estrechamente relacionado con la naturaleza de la materia prima.
2 . - El costo de la termia útil del combustible empleado normalmente por la fábrica.
3 . - El costo de la termia útil de lodo puesto en fábrica. Este factor depende de la distancia entre la ladrillería y el lavadero de carbón, y del volumen de los suministros. También depende de la eficiencia térmica en la utilización del lodo. A efectos de orientación práctica, puede suponerse una eficiencia del 60^/o.
Al considerar el comportamiento de los combustibles sólidos durante el gradual calentamiento de las mezclas arcilla-combustible, debe recordarse que a bajas temperaturas se produce la destilación de sus componentes volátiles. El aprovechamiento energético de esta fracción volátil incorporada a la atmósfera dependerá en último término de la ocasión que tenga de entrar en combustión. Si ésta no se produce, la fracción volátil resultará perdida.
5. œNSIDERACIONES FINALES.
El problema energético es especialmente grave en un sector industrial, como el de tierra cocida, que, con una estructura atomizada en centenares de instalaciones, produce una enorme cantidad de unos materiales de elevado consumo energético específico, que han de ser vendidos a bajos precios. Este sector, además de sufrir el problema energético general, se ve compelido ahora a abandonar gradualmente el uso de los combustibles líquidos, al cual se había habituado, y a buscar soluciones alternativas en el campo de los combustibles sólidos.
Los combustibles sólidos eran los que tradicionalmente utilizaba esta industria, y ahora regresa a ellos. Sin embargo, no puede volver en condiciones idénticas a las que prevalecían entonces, porque en la actualidad existen, al menos, tres condicionamientos nuevos: a) Existe una crisis energética que obliga a restringir el consumo energético específico, b) Existe una estructura industrial que no acepta, como antes, las operaciones manuales, y que exige métodos automatizados y bien controlados, y c) Existe una crisis económica que limita la capacidad operativa de las empresas.
El problema energético de la industria ladrillera puede abordarse, de un modo general, desde los siguientes puntos de vista:
a) Localización de adecuados suministros de combustibles sólidos, e instalación de equipos que permitan su eficiente combustión en forma de finas partículas que se alimentan al ambiente del horno.
b) Localización de adecuados suministros de subproductos que contengan sustancias combustibles, y que puedan ser incorporados a las masas arcillosas para que liberen su contenido calorífico, con la mayor eficiencia, durante la cocción de los ladrillos.
c) Uso de composiciones cerámicas que: 1) Pueden secarse en ciclos más rápidos. 2) Puedan cocerse en ciclos más rápidos. 3) Absorban menos calor durante la cocción. 4) Puedan cocerse a temperaturas más bajas, dando productos de calidad aceptable. 5) Faciliten la combustión completa de las sustancias combustibles finamente dispersas que puedan incorporarse a la masa.
d) Mejora de la eficiencia térmica de las instalaciones.
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