Nuevos Procesos más Eco-eficientes en la Fabricación de Cementos: Generalidades, Materias primas, tipos de procesos

Transcripción

1 Nuevos Procesos más Eco-eficientes en la Fabricación de Cementos: Generalidades, Materias primas, tipos de procesos Dra. Ana Mª Guerrero y Dra. Gloria Pérez Grupo: Materiales Ecoeficientes para la Construcción Instituto Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja Consejo Superior de Investigaciones Científicas C/ Serrano Galvache, 4, Madrid-ESPAÑA s contacto: aguerrero@ietcc.csic.es; gperezaq@ietcc.csic.es 1

2 Cementos Eco-eficientes Consumen menos recursos naturales (minerales y combustibles fósiles) Utilizan menos energía Generan menos emisiones de CO 2 Empleo de Materias Primas Alternativas Empleo de Combustibles Alternativos Adiciones que mejoran sus propiedades 2

3 Materias primas alternativas Preservamos los recursos naturales no renovables. Se recicla materias procedentes de centrales térmicas y de la industria papelera así como el carbonato cálcico residual procedente de la producción de azúcar para sustituir parte de nuestras materias primas como la caliza, la marga o la arcilla. 3

4 Combustibles Alternativos Reducimos las emisiones de CO 2 en incineradoras y vertederos, ahorramos combustibles fósiles no renovables. Los combustibles alternativos más empleados con derivados de residuos como neumáticos, harinas, lodos,... El sector cementero español utilizó durante el año 2012 unas toneladas de combustibles derivados de residuos: ahorro en emisiones de más de toneladas de CO 2 a la atmósfera 4

5 Adiciones que Mejoran Propiedades Las adiciones para hormigón son materiales de naturaleza inorgánica que destacan por sus características puzolánicas o hidráulicas; finamente molidos, pueden ser añadidos al hormigón a fin de mejorar sus propiedades o dotarlo de especiales características Adiciones que mejoran sus propiedades: Reducimos nuestras emisiones de CO 2 /tonelada de cemento, preservando los recursos naturales no renovables. Se pueden producir cementos con adiciones que proporcionan mejoras en la trabajabilidad, durabilidad y calor de hidratación, ahorrando así materias primas y reduciendo sus emisiones de CO 2. 5

6 CEMENTOS BELÍTICOS: CRISIS ENERGÉTICAS Y CAMBIO CLIMÁTICO PRIMERA CRISIS DE ENERGÍA (70) SEGUNDA REVOLUCIÓN ENERGÍA EMISIONES CO 2 CAMBIO CLIMÁTICO Plan de energías renovables Plan de eficiencia energética Asignación de derechos de Emisión AHORRAR 20% DE ENERGÍA REDUCIENDO PETRÓLEO Y CARBÓN 6

7 Gráfica de la Evolución del Consumo de Cemento 7

8 Industria del Cemento gran cantidad de emisión de CO 2 materias primas (calizas y arcilla) altas temperaturas (1400ºC-1500ºC) EMISIONES DE CO 2 EN LA FABRICACIÓN DE CLINKER PORTLAND calcinación de CaCO 3 54% combustión de fuel 34% electricidad 12% Industria Global del Cemento 1.4 Bt / año de CO 2 6% de 27 Bt / año Emisión media de 0.83 t de CO 2 / t de producto final (cemento con 80% de clinker) 8

9 Source: van Oss and Padovani,

10 Source: Taylor,

11 Proceso de Producción del Clinker Source: PCA,

12 Proceso de Producción del Clinker Source: PCA,

13 Proceso de Producción del Clinker Source: PCA,

14 Ca 3 SiO 5 (C 3 S /ALITA) vs Ca 2 SiO 4 (C 2 S / BELITA) EMISIONES DE CO 2 Y ENERGÍA FABRICACIÓN ALITA 3CaCO 3 + SiO 2 Ca 3 SiO 5 + 3CO 2 (1400ºC) (%CO2 =132/228 x100 = 58%) BELITA 2CaCO 3 + SiO 2 Ca 2 SiO 4 + 2CO 2 (1300ºC) (% de CO 2 =88/172 x100 = 51%) Un clinker Portland con un 70% de alita y un 15% de belita, las emisiones serían un 41% y 8% respectivamente. Las emisiones de CO 2 pueden reducirse mucho más o incluso desaparecer mediante el empleo de residuos, que contengan CaO en su composición, como materia prima secundaria. La formación de la fase belita permite reducir al menos 100ºC su temperatura de clinkerización en un horno rotatorio convencional (con la ayuda de mineralizadores y fundentes). 14

15 Ca 3 SiO 5 (C 3 S /ALITA) vs Ca 2 SiO 4 (C 2 S / BELITA) REACCIONES DE HIDRATACIÓN ALITA 2C 3 S + 7H C 3 S 2 H 4 + 3CH H = Kj/mol BELITA 2C 2 S + 5H C 3 S 2 H 4 + CH H = - 43 Kj/mol La hidratación de la belita (β-c 2 S), aparentemente produce los mismos compuestos que la alita (C 3 S), pero la energía que se libera es 26 veces menor. Hay importantes diferencias cuantitativas entre ambas reacciones: 100 g de alita (C 3 S) produce 79 g de gel C-S-H y 49 g de (CH), 100 g de belita (β-c 2 S) produce 105 g de gel C-S-H y 21.5 g de (CH). Estos datos indican la superior durabilidad de la matriz de los morteros y hormigones con alto contenido en belita. 15

16 POLIMORFOS Ca 2 SiO 4 (C 2 S / BELITA): Estabilidad y Reactividad 2150ºC 1425ºC 1177ºC 675ºC 500ºC Fusión H L hex orto orto mono orto El polimorfo es prácticamente inactivo, reacción de hidratación muy lenta (30% al cabo de 2 años). El orden de reactividad se cumple para los mismos tipos de estabilizantes de red, pero varia en función del tipo de estabilizante. La estabilización de las fases puede conseguirse con la inclusión de elementos: Al, Fe, B, K, Na, P, Ba, Sr, Ti, Cr, S (soluciones sólidas). Así, un mismo polimorfo puede tener diferentes reactividades. La velocidad de enfriamiento también puede influir en la reactividad. 16

17 Características Ca 3 SiO 5 (C 3 S /ALITA) vs Ca 2 SiO 4 (C 2 S / BELITA) PROCESO ahorro materias primas naturales menores emisiones de CO 2 menores temperaturas PRODUCTO de lenta hidraulicidad menor liberación de calor en su hidratación menor retracción menor contenido en portlandita mayor contenido en gel C-S-H mayor durabilidad menor alcalinidad CEMENTO PORTLAND BELÍTICO REACTIVO ALITA C 3 S 50-70% ALITA C 3 S 0-50% (rápida hidratación-rápidas resistencias) BELITA - C 2 S 15-30% BELITA - C 2 S % (lenta hidratación-lentas resistencias) 17

18 APLICACIONES DEL CEMENTO BELÍTICO CONSTRUCCIÓN DE PRESAS ALMACENAMIENTO RESIDUOS RADIOACTIVOS RESISTENTE AL ATAQUE ÁCIDO Y FORMACIÓN DE PRODUCTOS EXPANSIVOS 18

19 TECNOLOGÍAS PARA AUMENTAR LA REACTIVIDAD DE LOS CEMENTOS BELÍTICOS BAJA Temperatura ALTA Temperatura: Tecnologías de Hornos convencionales PROCESO SOL- GEL PROCESO HIDROTERMAL ESTABILIZANTES DE RED: Na, K, Al, Fe, B, S, Ba. ENFRIAMIENTO RÁPIDO DEL CLÍNKER 19

20 TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA ESTABILIZANTES DE RED Resistencia Mecánica a Compresión (Rc) de Morteros de Fase Belita sustituidas por Álcalis Sustitución Polimorfo Tª síntesis (ºC) Rc (MPa) 3d 7d 28d Na-Fe Na-Fe Na-Fe +α Na-Fe Na + Al α Na + Al

21 TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA ENFRIAMIENTO RÁPIDO DEL CLINKER Efecto del medio de enfriamiento en las resistencias a compresión a 1 día 21

22 PROCESO DE BAJA TEMPERATURA PROCESO SOL-GEL PROCESO HIDROTERMAL TECNOLOGÍA DIFERENTE HORNOS CONVENCIONALES 22

23 600ºC 8h PROCESO SOL-GEL Ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla. Se basa en la obtención de la fase belita reactiva mediante procedimientos que aumenten su superficie específica, sin el empleo de estabilizadores de red. Incluye la síntesis de geles de silicatos cálcicos hidratados, posteriormente se deshidratan por calentamiento (sin molienda) a temperaturas que pueden variar entre 500ºC- 900ºC. Se pueden alcanzar superficies específicas BET-N 2 entre 7 y 13 m 2 /g. Muestra Composición % Resistencia Mecánica Compresión (MPa) SiO 2 Al 2 O 3 CaO C/S 1d 3d 7d 28d

24 PROCESO SOL-GEL PROCESO SOL-GEL (Roy & Oyefesobi 1977) solución Ca(NO 3 ) + SiO 2 geles precursores 760ºC /1 h + ACTIVACIÓN MECÁNICA (25.000psi) BELITA - C 2 S REACTIVA (BET m 2 /g) 62MPa 28 días 24

25 PROCESO HIDROTERMAL Método de síntesis del cemento (Jiang and Roy 1992) 1ª etapa hidrotermal FASES PRECURSORAS DEL CEMENTO Reactor Reactor para para Etapa Etapa Hidrotermal: Hidrotermal: 200ºC 200ºC 1,24 1,24 MPa MPa 2ª etapa DESHIDRATACIÓN CONTROLADA 25

26 PROCESO HIDROTERMAL Materia Prima + H 2 O Reactor para Etapa Hidrotermal: 200ºC 1,24 MPa El sólido filtrado 26

27 PROCESO HIDROTERMAL: EXPERIENCIA ESPAÑOLA: Cementos BELITICOS DE BAJA ENERGÍA: CaO + ceniza volante + agua CONDICIONES REACTOR Agitación 4 horas 200ºC 1.24 MPa Enfriamiento con agua Filtrar Secar (80ºC) Calentamiento de los sólidos 700ºC 800ºC CBCV 900ºC Segunda etapa: Deshidratación controlada y enfriamiento al aire Sin permanencia en el horno 27

28 PROCESO HIDROTERMAL: EXPERIENCIA ESPAÑOLA: Cementos BELITICOS DE BAJA ENERGÍA: MATERIA PRIMA CENIZAS de IRSU CE Mt CENIZAS VOLANTES combustión del carbón año Mt ÁRIDOS CARRETERAS EXPANSIÓN CLORUROS CEMENTOS BELÍTICOS DE CENIZAS VOLANTES Segunda etapa: Deshidratación controlada y enfriamiento al aire Sin permanencia en el horno ADICIÓN CLINKER PORTLAND actividad puzolánica 28

29 PROCESO HIDROTERMAL PROCESO ECOEFICIENTE: implica DESARROLLO SOSTENIBLE de: las actividades de construcción y de otros sectores industriales, como son los generadores de residuos. Disminución emisiones CO 2 (50%-100%) Ahorro Energético: Menor consumo energético: 800ºC vs 1400ºC (55%) En el Molturado (100%) Preservación de las materias primas naturales. Eliminación del proceso extractivo en las canteras y posterior molienda Eliminación de los residuos y de sus vertederos. Empleo de residuos como materiales secundarios: cenizas volantes combustión del carbón, cenizas de incineración de RSU, etc. 29

30 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Cemento Portland CEMI 42.5R. Conforme a la norma UNE EN R 0 : Cenizas procedentes de un combustor de lecho fluidizado de biomasa forestal (), alimentado fundamentalmente por restos de corteza de eucalipto para la fabricación de t/año de celulosa de eucalipto ECF (Libre de Cloro Elemental) de alta calidad. R 1 y R 2 : Cenizas procedentes de la incineración de residuos sólidos urbanos en horno de lecho fluidizado. R 3 : Cenizas procedentes del proceso de combustión del carbón de las centrales térmicas. Es una ceniza volante tradicional, la cual está mucho más estudiada y utilizada como adiciones al cemento y otros materiales de construcción. 30

31 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Composición química de las cenizas de partida en % peso. R 0 R 1 R 2 R 3 CaO SiO Al 2 O Fe 2 O MgO SO Na 2 O K 2 O Cl PF* RI CaO libre (*PF: Pérdida en Fuego UNE-EN 8015, RI: Residuo Insoluble) 31

32 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Relación Ca/Si y Al/Si R 0 R 1 R 2 R 3 Ca/Si Al/Si Difractograma de rayos X de las cenizas de partida Q: cuarzo, C: calcita, S: silvita, P: portlandita, G: gelenita, A: anhidrita, H : halita, H: hematita, Al: aluminio metálico, : L-Ca 2 SiO 4, *: Mg 2 C 3, : CaCl 2 Ca(OH) 2 H 2 O, M: mullita. 32

33 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Espectro de absorción en infrarrojo Curva TG de las cenizas. Área superficial BET-N 2 33

34 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Imagen de SEM de las cenizas de partida: R 0 (a,b,c), R 1 (c,d,f), R 2 (g,h), R 3 (i, j, k) 34

35 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Estudio de Viabilidad de la aplicación de los residuos como adición activa al cemento Determinar la actividad puzolánica Método químico acelerado Disolución Saturada de Cal (DSC), método optimizado en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc-CSIC) por el Grupo de Dra. Sanchez de Rojas y Frías. Esta metodología consiste en determinar la cal fijada (CaO) a diferentes tiempos de reacción. Se utiliza 1g de muestra en contacto con 75ml de disolución saturada de cal a 40ºC. Una vez de cumple el tiempo deseado, se separan la fase solida y liquida para determinar volumétricamente el contenido de CaO y el contenido de OH. 40ºC 35

36 Procesos Eco-eficientes: Adiciones que mejoran las Propiedades Diagrama de Disolución Saturada de Cal para la ceniza R o y R 0-200ºC/4h Debido a los buenos resultados obtenidos en este ensayo de actividad puzolánica, se ha planteado realizar estudios de sustitución parcial de cemento con la ceniza R o y con la ceniza R 0 200ºC/4h. 36