horno de cal

El conocimiento de su valor en la agricultura también es antiguo, pero su uso agrícola solo se generalizó cuando el uso del carbón lo abarató ^{[ 5 ]} en las cuencas carboníferas a finales del siglo XIII, y se dio un relato de su uso agrícola en 1523. ^{[ 6 ]} Las primeras descripciones de hornos de cal difieren poco de las utilizadas para la fabricación a pequeña escala hace un siglo. Debido a que el transporte terrestre de minerales como la piedra caliza y el carbón era difícil en la era preindustrial, se distribuían por mar, y la cal se fabricaba con mayor frecuencia en pequeños puertos costeros. Muchos hornos conservados aún se pueden ver en los muelles alrededor de las costas de Gran Bretaña.

Los hornos de cal permanentes se dividen en dos grandes categorías: los hornos de llama abierta, también conocidos como hornos intermitentes o periódicos, y los hornos de vaciado, también conocidos como hornos perpetuos o continuos. En un horno de llama abierta, se colocaba una capa inferior de carbón y la parte superior se llenaba únicamente con cal. El fuego permanecía encendido durante varios días, tras lo cual se vaciaba completamente el horno.

En un horno de arrastre, generalmente una estructura de piedra, la tiza o la piedra caliza se colocaban en capas con madera, carbón o coque y se encendían. A medida que se consumía el material, la cal se extraía del fondo del horno a través del orificio de extracción. Se añadían más capas de piedra y combustible en la parte superior. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La característica común de los primeros hornos era una cámara de combustión con forma de huevera, con una entrada de aire en la base (el "ojo"), construida de ladrillo. La piedra caliza se trituraba (a menudo a mano) en trozos bastante uniformes de 20 a 60 mm (1 a 2 + 1/2 pulgadas ) ; la piedra fina se desechaba. En el horno, sobre las rejillas que cruzaban el ojo, se iban formando sucesivas capas abovedadas de piedra caliza y madera o carbón. Una vez completada la carga, se encendía el horno por la parte inferior y el fuego se extendía gradualmente hacia arriba a través de la carga. Al quemarse por completo, la cal se enfriaba y se retiraba por la base. La ceniza fina caía y se desechaba junto con los restos de la cocción.  

Solo se podía usar piedra en trozos, ya que la carga necesitaba "respirar" durante la cocción. Esto también limitaba el tamaño de los hornos y explica por qué todos eran de tamaño similar. Por encima de cierto diámetro, la carga parcialmente quemada corría el riesgo de colapsar bajo su propio peso, extinguiendo el fuego. Por lo tanto, los hornos siempre producían entre 25 y 30 toneladas de cal en cada lote. Normalmente, el horno tardaba un día en cargarse, tres días en cocerse, dos días en enfriarse y un día en descargarse, por lo que un ciclo de una semana era lo habitual. El grado de combustión se controlaba mediante ensayo y error de un lote a otro, variando la cantidad de combustible utilizado. Debido a las grandes diferencias de temperatura entre el centro de la carga y el material cercano a la pared, normalmente se producía una mezcla de cal subcompuesta (es decir, con alta pérdida por ignición ), bien quemada y completamente quemada. La eficiencia típica del combustible era baja, utilizándose 0,5 toneladas o más de carbón por tonelada de cal terminada (15 MJ/kg).

La producción de cal se realizaba a veces a escala industrial. Un ejemplo, en Annery , en el norte de Devon , Inglaterra , cerca de Great Torrington , constaba de tres hornos agrupados en forma de "L" y estaba situado junto al canal de Torrington y el río Torridge para traer la piedra caliza y el carbón, y para transportar la cal calcinada en los tiempos en que no existían carreteras pavimentadas . ^{[ 9 ]}

Era común encontrar conjuntos de siete hornos. Un equipo de carga y otro de descarga se turnaban para operar los hornos durante la semana.

Un horno que se usaba poco era conocido como un "horno perezoso". ^{[ 10 ]}

A finales del siglo XIX y principios del XX, la localidad de Waratah, en Gippsland , Victoria , Australia, producía la mayor parte de la cal viva utilizada en Melbourne y en otras zonas de Gippsland. La localidad, ahora llamada Walkerville , se ubicaba en una zona aislada de la costa victoriana y exportaba la cal por barco. Cuando esta actividad dejó de ser rentable en 1926, los hornos de cal fueron clausurados. Actualmente, la zona, aunque carece de servicios urbanos propiamente dichos, se promociona como destino turístico. Las ruinas de los hornos de cal aún pueden verse hoy en día.

• Hornos de cal en Australia
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  Ruinas de un horno de piedra caliza en Walkerville, Victoria, Australia.
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  Ruinas de un horno de piedra caliza vistas desde una ruta de senderismo, Walkerville, Victoria, Australia.

También existía un horno de cal en Wool Bay , Australia Meridional ^{[ 11 ]} .

• Horno de cal, Wool Bay
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  Antiguos hornos de cal en Manzhykiv Kut, Ucrania.
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  Antiguos hornos de cal en Manzhykiv Kut, Ucrania.
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  Antiguos hornos de cal en Manzhykiv Kut, Ucrania.
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  Antiguos hornos de cal en Manzhykiv Kut, Ucrania.

El gran horno de Crindledykes, cerca de Haydon Bridge , en Northumbria, era uno de los más de 300 que había en el condado. Era único en la zona por tener cuatro arcos de apertura para cada vasija. Al reducirse la producción, los dos arcos laterales fueron tapiados, pero English Heritage los restauró en 1989 .

El desarrollo de la red ferroviaria nacional hizo que los pequeños hornos locales fueran cada vez menos rentables, y estos desaparecieron gradualmente a lo largo del siglo XIX. Fueron reemplazados por plantas industriales de mayor tamaño. Al mismo tiempo, los nuevos usos de la cal en las industrias química , siderúrgica y azucarera propiciaron la construcción de plantas a gran escala. Estas también propiciaron el desarrollo de hornos más eficientes.

Un horno de cal erigido en Dudley , West Midlands (antes Worcestershire ) en 1842, se conserva como parte del Black Country Living Museum , inaugurado en 1976, aunque los hornos se utilizaron por última vez durante la década de 1920. Actualmente, es uno de los últimos en una región que estuvo dominada por la minería del carbón y la piedra caliza durante generaciones hasta la década de 1960. ^{[ 12 ]}

• Hornos de cal en Gran Bretaña
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  Hornos de cal del siglo XIX en Froghall
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  Un horno de cal conservado en Burgess Park , Londres.
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  Antiguo horno de cal, Boscastle, Cornualles.
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  Un gran horno de cal en Broadstone, Beith, Ayrshire.
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  El horno de Annery en Devon, Inglaterra.
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  Gran horno de cal individual del siglo XIX en Crindledykes, cerca de Housesteads, Northumbria.
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  Castillo de Dumbarton en 1800 y horno de cal en funcionamiento con humo en primer plano ^{[ 13 ]}

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  Antiguos hornos de cal, Antoing , Bélgica
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  Hornos de cal, Oeiras, Portugal
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  Horno de cal Untermarchtal, Baden-Württemberg
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  Horno de cal de 1906 en Simplon, Namibia.
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  Hornos de cal en Kladno, Chequia, en funcionamiento hasta 1975.

El calor teórico ( entalpía estándar ) de reacción necesario para producir cal con alto contenido de calcio es de aproximadamente 3,15 MJ por kg de cal, por lo que los hornos discontinuos tenían una eficiencia de tan solo un 20 %. La clave para el desarrollo de la eficiencia fue la invención de los hornos continuos, que evitan los ciclos de calentamiento y enfriamiento ineficientes de los hornos discontinuos. Los primeros fueron hornos de cuba simples, de construcción similar a los altos hornos . Estos son hornos de cuba a contracorriente. Las variantes modernas incluyen hornos regenerativos y anulares. La producción suele estar en el rango de 100 a 500 toneladas por día.

Hornos de cuba a contracorriente

El combustible se inyecta a mitad del eje, alcanzando la temperatura máxima en este punto. La alimentación fresca, introducida por la parte superior, se seca primero y luego se calienta a 800  °C, donde comienza la descarbonatación, que se acelera progresivamente a medida que aumenta la temperatura. Debajo del quemador, la cal caliente transfiere calor al aire de combustión, que la enfría. Una rejilla mecánica extrae la cal por la parte inferior. Un ventilador impulsa los gases a través del horno, y el nivel se mantiene constante añadiendo alimentación mediante una esclusa de aire. Al igual que en los hornos discontinuos, solo se puede utilizar piedra grande y clasificada para garantizar un flujo de gas uniforme a través de la carga. El grado de combustión se puede ajustar modificando la velocidad de extracción de la cal. Es posible un consumo de calor tan bajo como 4 MJ/kg, pero lo más habitual es de 4,5 a 5 MJ/kg. Debido al pico de temperatura en los quemadores, que alcanza los 1200  °C, las condiciones de un horno de eje son ideales para producir cal de combustión media y dura.

Hornos regenerativos

Estos hornos suelen constar de un par de hornos que funcionan alternativamente. Primero, cuando el horno A es el "primario" y el B el "secundario", el aire de combustión se introduce por la parte superior del horno A, mientras que el combustible se introduce ligeramente por debajo mediante lanzas de quemador. La llama se propaga de arriba abajo. Los gases calientes descienden, cruzan al horno B a través del llamado "canal" y ascienden hasta la salida del horno B. Simultáneamente, en ambos hornos se introduce aire de refrigeración por la parte inferior para enfriar la cal y evitar la salida de gases por la parte inferior del horno mediante el mantenimiento de una presión positiva. El aire de combustión y el aire de refrigeración salen del horno conjuntamente por la salida superior del horno B, precalentando la piedra. La dirección del flujo se invierte periódicamente (normalmente entre 5 y 10 veces por hora) entre los hornos A y B, alternando así su función de horno "primario" y "secundario". El horno tiene tres zonas: zona de precalentamiento en la parte superior, zona de combustión en la parte media y zona de refrigeración cerca de la parte inferior. El ciclo genera una zona de combustión prolongada a temperatura constante y relativamente baja (alrededor de 950  °C), ideal para la producción de cal reactiva de alta calidad. Con temperaturas de los gases de escape de tan solo 120  °C y una temperatura de la cal a la salida del horno de  aproximadamente 80 °C, la pérdida de calor del horno regenerativo es mínima y el consumo de combustible es de tan solo 3,6 MJ/kg. Gracias a estas características, los hornos regenerativos son hoy en día la tecnología predominante en entornos con precios de combustible elevados. Los hornos regenerativos se construyen con una producción de entre 150 y 800 t/día, siendo lo habitual entre 300 y 450 t/día.

hornos anulares

Estos hornos contienen un cilindro interno concéntrico que recoge el aire precalentado de la zona de enfriamiento y lo utiliza para presurizar la zona anular central. El aire que se expande desde la zona presurizada genera un flujo a contracorriente ascendente y un flujo en paralelo descendente. Esto produce una zona de calcinación larga y relativamente fría. El consumo de combustible oscila entre 4 y 4,5 MJ/kg y la cal suele tener una combustión media.

Los hornos rotatorios comenzaron a utilizarse para la fabricación de cal a principios del siglo XX y ahora representan una gran proporción de las nuevas instalaciones si los costos de energía no son un factor determinante. El uso inicial de hornos rotatorios simples tenía la ventaja de que se podía utilizar una gama mucho más amplia de tamaños de piedra caliza, desde finos en adelante, y se podían eliminar elementos indeseables como el azufre . Por otro lado, el consumo de combustible era relativamente alto debido al deficiente intercambio de calor en comparación con los hornos de cuba, lo que provocaba una pérdida excesiva de calor en los gases de escape. Los hornos rotatorios "largos" de antaño operan a 7 a 10 MJ/kg. Las instalaciones modernas superan parcialmente esta desventaja mediante la adición de un precalentador, que tiene el mismo buen contacto sólido/gas que un horno de cuba, pero el consumo de combustible sigue siendo algo mayor, generalmente en el rango de 4,5 a 6 MJ/kg. En el diseño mostrado, un círculo de cubas (normalmente de 8 a 15) se dispone alrededor del conducto ascendente del horno. La caliza caliente se descarga de los pozos secuencialmente mediante una placa empujadora hidráulica. Los hornos suelen tener una capacidad de producción de 1000 toneladas diarias. El horno rotatorio es el más versátil de todos los hornos de cal, capaz de producir cal blanda, media o dura, así como cal o dolim de alta temperatura.

Todos los diseños de hornos mencionados generan gases de escape que contienen una cantidad considerable de polvo. El polvo de cal es particularmente corrosivo. Se instala equipo para atrapar este polvo, generalmente mediante precipitadores electrostáticos o filtros de mangas. El polvo suele contener una alta concentración de elementos como metales alcalinos , halógenos y azufre.