La ceniza volante con alto contenido de carbón (aproximadamente 15%) no tiene utilidad en el concreto debido a que las partículas de carbón interactúan adversamente con las mezclas.
Sin embargo, en este documento se la considera un componente de la materia prima en la fabricación del cemento, donde tales cenizas reemplazan a la pizarra y a la arcilla en una mezcla de materia cruda.

Puesto que las cenizas con una alta LOI y un alto contenido de carbón son indeseables para su uso en el concreto, debido a su incompatibilidad en las mezclas y las propiedades físicas inferiores resultantes, el reto para su reutilización alterna se convierte en un problema todavía más crítico.

Este documento discute el uso de la ceniza volante con alto contenido de carbón (CVCACC) en una escala comercial, como un componente de la mezcla cruda y como un complemento del combustible en la manufactura de cemento portland.
La demostración involucró la participación de una planta de generación eléctrica que produce CVCACC, y de una planta local fabricante de cemento que opera un sistema de horno con un precalentador.
En un proceso típico de fabricación de cemento se usan pizarra, arcilla, arenisca y escamas de molino, para proporcionar el sílice, la alúmina y los contenidos de hierro necesarios para la harina cruda.
Puesto que la CV es rica en estos componentes, se puede usar convenientemente en la formulación de mezclas crudas para cemento, mientras que el carbón que no se ha quemado y la CV contribuyen al ahorro de combustible en el proceso de manufactura del cemento con uso intensivo de energía.
Durante la demostración a escala comercial, se adquirió una gran cantidad de CVCACC –proveniente de una termoeléctrica–, caracterizada y utilizada en la planta de cemento. La CV se intermolió con la mezcla de la materia cruda de la planta de cemento, la cual fue subsecuentemente quemada en el clinker de cemento y molida para obtener cemento portland. Las muestras de cemento y de clinker fueron caracterizadas y se compararon con las producidas normalmente en una planta. Durante la demostración, se documentaron los parámetros de operación, los beneficios del procesamiento y los resultados sobre el ahorro de combustible, como resultado del uso de CVCACC.

Caracterización de la CV
Previamente a la demostración, se caracterizó la CV-CACC por su composición física, química y mineralógica. También se evaluó en cuanto a su compatibilidad con la mezcla cruda de la.planta de cemento, a fin de formular un diseño de mezcla compatible con la mezcla cruda objetivo.
Composición química
El análisis químico de la CV fue determinado por medio de la fluorescencia
de rayos X (X-ray fluprescence = XRF); los datos se muestran en la tabla 1. Con base en su análisis, la ceniza se clasifica como una CV Clase F según la ASTM C 618. La LOI de casi 21% es atribuida en gran medida al alto contenido de carbón no quemado en la ceniza, en el cual puede potencialmente dar como resultado un valor significativo calórico.

Composición mineralógica
La CV también fue sometida a difracción de rayos X (X-ray diffraction = XRD) para identificar sus componentes cristalinos, así como los de vidrio. El patrón de XRD de la ceniza, indica la presencia de fases cristalinas tales como cuarzo, magnetita, aluminato tricálcico y cal. Sin embargo, la amplia “joroba” en el patrón indica que la CV tiene un contenido vidrioso significativo. La naturaleza vidriosa de la ceniza hará que se vuelva reactiva y fácil de quemar cuando se use en la mezcla cruda de cemento.

Distribución del tamaño de las partículas
La distribución del tamaño de las partículas de la CV también fue determinada por medio de un análisis de tamiz. Los resultados, presentados en la tabla 2, indican que la CV es un material finamente dividido con un tamaño de grano promedio menor de 45 micrones (tamiz No. 325).

Características térmicas y valor calórico de la CV
Usando un calorímetro de escaneo diferencial (differential scanning calorimetry = DSC), la CV también fue evaluada para investigar su valor calórico y la presencia de cualesquiera compuestos volátiles u otros compuestos inorgánicos, junto con sus temperaturas de liberación.
La falta de un valor pico exotérmico a temperaturas menores de 550 °C sugiere la ausencia de materias volátiles en la CV. Esto esencialmente significa que la ceniza no generará ningún material orgánico volátil en las etapas superiores de precalentamiento del precalentador del sistema del horno.
El gran pico exotérmico a temperaturas por encima de 550 °C confirma la presencia de un contenido sustancial de calor en la ceniza. Los resultados del DSC sugieren que el contenido total de calor (valor calorífico) de la ceniza es mayor de 500 Btu/lb. Suponiendo que la CV se utilice a razón de 6% por peso de la mezcla cruda, la distribución de energía anticipada de la CV es de 90,820 Btu por tonelada de clinker. Sin embargo, esta es una estimación conservadora, yaque el pico no ha alcanzado un máximo a 700 °C, el límite superior de temperatura del equipo DSC usado. Con toda probabilidad, el valor de calentamiento de la ceniza cuando se usó en la demostración hubiera sido considerablemen-te más alto que aquel estimado anteriormente.
También es interesante observar la gran joroba endotérmica por debajo de 550 °C. Esta propiedad de consumo de calor de la CV podría contribuir a una reducción de la temperatura en la porción superiorde los precalentadores, que conduce a rutas más claras y un flujo de material más suave de la carga de alimentación, y a una temperatura de salida del gas reducida proveniente de la contracorriente del precalentador del recolector de polvo.

Caracterización de la mezcla cruda de cemento
Antes de la demostración, también se analizó una muestra de la mezcla cruda usada en la planta de cemento. El conocimiento de la composición de la mezcla cruda es de importancia crítica, a fin de preparar una réplica de mezcla cruda cuando se usa CVCACC como un material componente. La composición de la mezcla cruda se enfocó hacia la harina cruda de cemento normalmente usada en la planta.

Demostración comercial Recolección, transporte y procesamiento de CV
Se recogieron cerca de 50 toneladas de CVCACC en estado seco provenientes de una planta eléctrica local, y fueron transportadas a la planta de cemento usando camiones de transporte de carga neumáticos.
La CV fue neumáticamente descargada en la planta de cemento hacia un silo. En estado seco y como un material de flujo libre, la CV facilitó una operación suave de la descarga.
La ceniza fue combinada con los materiales crudos principales usados en la planta de cemento, es decir, piedra caliza triturada y una pequeña cantidad de pizarra molida en la mezcla cruda y colocadas en un silo de mezclado. Nuevamente, siendo un material seco y finamente dividido con un flujo libre, la combinación de la CV con otros materiales crudos fue una operación fácil y no requirió un procesamiento previo.

Formulación de la mezcla cruda de cemento
La intención era maximizar el uso de CV en la mezcla cruda. La química de la piedra caliza y la pizarra limitaron la adición de la CV a 6% del total de la mezcla cruda. Sin embargo, la CV reemplazó la mayor parte de la pizarra en la mezcla cruda. Se intentó igualar la composición de la mezcla cruda de demostración (es decir, que contenía CV) con la de la mezcla cruda mostrada.
La mezcla cruda de demostración fue combinada en un silo separado para usarse exclusivamente en la demostración.

Operación en el horno rotatorio
La harina de alimentación fue introducida en el conducto elevador entre las dos etapas superiores (1 y 2) del precalentador de la planta de cemento, que tiene un precalentador de cuatro etapas, a través del cual viaja la alimentación que es precalentada previamente a su entrada en el horno rotatorio. La alimentación se mueve de una etapa del precalentador a la siguiente, en sentido contrario a la corriente del flujo de los gases combustibles calientes que entran desde el horno. Puede ocurrir un grado notable de calcinación de la mezcla cruda para el momento en que la alimentación sale de la etapa final (cuarta etapa) del precalentador, a condición de que el flujo de la harina de alimentación esté uniformemente distribuido en los recipientes, de modo que el intercambio de calor entre los gases y la mezcla cruda sea eficiente.

Parámetros observados
Se observaron varios parámetros clave, mientras la operación del horno se estaba realizando. Se prestó particular atención a los parámetros relacionados con el carbón desde la CV, beneficiando las operaciones totales durante la demostración, en comparación con aquellos previos a la demostración.
Así, los parámetros clave incluyeron:
• Perfiles de la temperatura del precalentador.
• Perfiles de las presiones del precalentador.
• Tasa de alimentación del calentador.
• Temperatura de la zona de quemado.
• Relación entre el consumo de combustible y el combustible.

Las tendencias observadas para los parámetros de operación seleccionados son como sigue:

Las temperaturas del precalentador se elevaron
Como se esperaba, las temperaturas de las etapas inferiores del precalentador (tercera y cuarta fases) se elevaron significativamente durante la demostración. La elevación de la temperatura se debió principalmente a la contribución térmica de la composición del carbón en la CV, lo que también aumentó considerablemente la calcinación de la harina cruda. Casi 30% de la calcinación adicional se realizó durante la demostración, debido al contenido de carbón. La calcinación mejorada facilita la combustión, dando como resultado la conservación del combustible y una producción incrementada.
Sin embargo, tal como se anticipó, durante la demostración, la temperatura de salida de la primera etapa (superior) del precalentador declinó. Esta observación es consistente con los resultados del análisis térmico de la CV, que demuestra la ocurrencia de un gran pico endotérmico por debajo de los 550 °C . La endotermia revela que la CV de la mezcla cruda actúa como un sumidero de calor en las etapas superiores del precalentador.

Las presiones de salida del precalentador disminuyeron
Durante la demostración, las caídas de presión en el precalentador decrecieron (las presiones estáticas se volvieron menos negativas) lo que implicó limpiar las rutas, reduciendo así el taponamiento y las acumulaciones de material, debido más probablemente a la temperatura más alta causada por la CVCACC en las etapas más bajas del precalentador.

La tasa de la harina cruda mejoró
La mezcla cruda que entra al horno se conoce como harina cruda. Durante la demostración, se observó un incremento notable en la tasa de la harina cruda. La tasa de alimentación se incrementó de 135 toneladas U.S/hora a casi 148 toneladas U.S/hora; la tasa de alimentación regresó al nivel de la predemostración después de la demostración. El incremento en la tasa de alimentación, una vez más, se atribuyó al alto contenido de carbón de la CV, lo que había causado una calcinación incrementada de la mezcla cruda previamente a la entrada al horno. La tasa incrementada de harina cruda dio como resultado un incremento de cerca de 10% en la producción de clinker.

La temperatura de la zona de combustión se elevó
La temperatura de la zona de combustión en el horno se incrementó en cerca de 90 °C durante la demostración. Nuevamente, esto se debió en gran medida al carbón residual en la harina cruda, que alcanzó un grado más alto de calcinación en el material que entraba al horno, y de este modo se redujeron los requisitos térmicos en el horno. El calor extra ahora disponible se usó para incrementar la temperatura de la zona de combustión. Sin embargo, la temperatura de la zona de combustión no fue suficientemente ajustada durante la demostración (por una reducción apropiada en la entrada de combustible). Si se hubiera ajustado la temperatura a su nivel operacional normal, se habría alcanzado un ahorro adicional del combustible.

La relación entre el consumo de combustible y el combustible se redujo
El suministro de combustible se redujo en alguna medida durante la demostración para ajustarse a la energía adicional proporcionada por la CVCACC en la harina cruda.
El ahorro de energía debido a la reducción de combustible fue de casi 4%, lo que corresponde a un ahorro sustancial de combustible de más de 90,000 Btu/ton de clinker.

El rendimiento operacional total se mejoró
Durante esta demostración del uso de la CVCACC en la fabricación de cemento, la operación del horno se realizó de una manera extremadamente uniforme. No hubo ningún problema en la entrega del material y su combinación, o por bloqueo o taponamiento de los precalentadores, o perfiles de temperatura anormales de los precalentadores o del horno. No se observó ninguna formación de figuras de nieve en el enfriador. No hubo problemas ambientales, con respecto al CO, capacidad de la chimenea o formaciones de humo. Desde el punto de vista del material, la demostración fue exitosa, ya que la tasa de producción se incrementó y, además, la economía del combustible mejoró significativamente.

Producción de cemento
El clinker de demostración fue intermolido con una cantidad apropiada de yeso en el cemento portland en un molino de circuito cerrado en la planta de cemento. Separadamente, el clinker se caracterizó por su composición química y mineralógica, mientras que el cemento fue probado y evaluado para verificar que cumpliera con las especificaciones de ASTM C150. Los cementos que no satisfacen las especificaciones no pueden entrar al mercado.

Resultados y discusión
Caracterización del clinker Los clínkeres producidos usando CVCACC, antes y durante la demostración, fueron analizados por los métodos XRF y Frankee libre de cal. Su fase de composición fue estudiada por medio de XRD y microscopía.

Los datos muestran menor contenido de sulfato, álcalis, y cal libre en el clinker de demostración, que aquel producido antes de la demostración. Los menores contenidos de sulfato, álcalis y cal libre indican mejoramientos en el producto, que son el resultado del uso de CVCACC.
La comparación de patrones XRD de clínkeres hechos antes, durante y después de la demostración confirma la presencia y las abundancias anticipadas de las fases C3S, C2S, C3A y C4AF.
En las notaciones químicas del cemento, C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3, y F = Fe2O3.
La ausencia de un pico de la cal libre en el clinker de demostración (comparado con un pico muy grande de la cal libre en el clinker de la predemostración) puede atribuirse a una reactividad mejorada de la cal en la mezcla cruda con la CV, que fue posible por sus partículas finas y vidriosas. Por supuesto, el bajo contenido de cal libre también refleja la temperatura más alta de la zona de combustión durante la demostración.
El examen microscópico del clinker de demostración también confirmó una distribución y formación típica de las fases más importantes del clinker.

Pruebas del cemento
Los cementos provenientes de clínkeres producidos antes, durante y después de la demostración fueron probados para verificar si cumplían con el ASTM C 150, “Especificación Estándar para el Cemento Portland”.
Parece ser que la incorporación de la CV en la harina cruda ha reducido el contenido de álcalis del cemento en aproximadamente 20%, sin ninguna modificación en el equipo. Las cenizas volantes típicamente tienen menos contenido de álcalis que las pizarras a las que reemplazan en la mezcla cruda del cemento. Los cementos con bajo contenido de álcalis son preferidos en el concreto por razones de durabilidad.
La resistencia a la compresión del cemento de demostración fue comparable a la del cemento producido previamente a la demostración. Es de interés la resistencia mejorada a 28 días, comparada con el cemento hecho durante la demostración, que puede potencialmente conducir a una resistencia más alta del concreto.

Conclusiones
La demostración a escala comercial ha evidenciado que la fabricación de cemento puede emplearse como un consumidor de alto volumen de CVCACC. La CV parece ser un componente compatible de la mezcla cruda de cemento.
El enfoque parece altamente benéfico para cenizas volantes con alto contenido de carbón (alta LOI) que no se pueden usar de otra manera en el concreto y que probablemente serían descartadas. El contenido de carbón en la CV proporciona un valor calórico en el proceso de fabricación de cemento con calor intensivo. En la demostración comercial reportada aquí, se obtuvieron ahorros de combustible de casi 4%, o más de 90,000 Btu/ton de clinker. Además, la producción de cemento se incrementó en casi 10%, principalmente a raíz de la calcinación mejorada de la mezcla cruda en los precalentadores debido al alto contenido de carbón en la CV.
La CV consistió típicamente en un material fluido libre finamente dividido. Se trataba de un material fácil de manejar para las operaciones de entrega, procesamiento y combinación, que no requería ningún procesamiento previo durante esta demostración.
En cuanto a las especificaciones de ASTM C 150, el cemento producido en la demostración era com-parable en sus propiedades químicas, mineralógicas y físicas con aquellos preparados de una harina cruda normal.
La demostración comercial que se reporta aquí apunta hacia la emergencia de un nuevo mercado para las cenizas volantes con alto contenido de carbón y alta LOI, que de otro modo quedarían sin utilidad, y que proporcionan beneficios tangibles en cuanto al material, su operación, el producto y el medio ambiente, tanto para las plantas termoeléctricas que utilizan carbón como para la industria del cemento.

*Construction Technology Laboratories,
Inc. 5400
Old Orchard Road, Skokie, Illinois 60077

RECONOCIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Departamento de Comercio y Asuntos de la Comunidad de Illinois, a la Oficina de Desarrollo y Mercadotecnia del Carbón y al Instituto de Carbón Limpio de Illinois (www.icci.org) por proporcionar fondos para este proyecto.

LITERATURA RELACIONADA
American Coal Ash Association, Inc. Coal Combustion and Use, 19131 Street, NW, 6 th .
Floor, Washington, DC, 20006, 1992.