Ingeniería Mecánica · 2025
Evaluación térmica de un horno vertical artesanal para la calcinación de piedra caliza en el municipio de Nobsa, Boyacá.
La cal es un insumo esencial para múltiples sectores industriales, desde la siderurgia hasta la construcción, y su producción sigue teniendo una alta demanda en el contexto colombiano. En el municipio de Nobsa (Boyacá), la producción de cal aún se realiza en hornos verticales artesanales, los cuales, pese a su bajo costo de instalación y operación, presentan niveles críticos de ineficiencia térmica y alto impacto ambiental debido a su dependencia de combustibles fósiles y a la ausencia de sistemas de control de particulados. Este trabajo presenta un análisis térmico integral de un horno vertical de eje central con capacidad de 25 toneladas, característico del parque calero de la región. La metodología incluyó la recopilación de datos operacionales reales, la caracterización fisicoquímica de las materias primas, y la modelación del proceso de calcinación para estimar la eficiencia energética, las pérdidas exergéticas y los costos asociados a la producción bajo el escenario actual. Los resultados permiten identificar los principales focos de pérdida energética y económica del sistema, y constituyen una línea base fundamental para la formulación de propuestas de modernización tecnológica. En conclusión, el estudio abre la posibilidad de transformar la industria calera local hacia un modelo más sostenible, con menor huella de carbono y mayor eficiencia, sin comprometer su competitividad ni su aporte al desarrollo económico regional.
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Contenido
- Introducciónp. 10
- Justificaciónp. 11
- Descripción del Problemap. 15
- Objetivos de la Investigaciónp. 17
- Objetivo Generalp. 17
- Objetivos Específicosp. 17
- Marco Teóricop. 18
- La Piedra Calizap. 18
- Cal (óxido de calcio CaO)p. 19
- Tipos de Hornop. 22
- 4.3.1 Hornos Verticalesp. 22
- 4.3.2 Hornos Verticales de Corriente Paralela Regenerativosp. 24
- 4.3.3 Horno Rotativop. 27
- Producción de Calp. 29
- Descripción del Procesop. 32
- Calcinaciónp. 40
- Metodologíap. 41
- Descripción de los Materialesp. 41
- Pruebas de Laboratoriop. 43
- 5.2.1 Descripción de las Pruebas Realizadasp. 43
- 5.2.2 Prueba de Caracterización del combustible (PC):p. 44
- 5.2.3 Análisis por FRX de las Cenizas:p. 45
- 5.2.4 Análisis por FRX Piedra Caliza:p. 46
- 5.2.5 Análisis por FRX de la Cal:p. 46
- Condiciones operacionales del horno de calcinaciónp. 47
- 5.3.1 Balance de Masap. 50
- 5.3.2 Balance de Energíap. 56
- 5.3.3 Balance de Exergíap. 59
- 5.3.4 Eficiencia Energética y Exergética:p. 64
- Resultados y Análisis de Resultadosp. 66
- Resultados y Análisis de las Pruebas de Laboratoriop. 66
- 6.1.1 Análisis de la Prueba de Caracterización (PC):p. 66
- 6.1.2 Análisis por FRX Cenizas:p. 68
- 6.1.3 Análisis por FRX Piedra Caliza:p. 46
- 6.1.4 Análisis por FRX de la Cal:p. 46
- Balance de Masap. 50
- Balance de Energíap. 56
- Eficiencia energéticap. 75
- Balance de Exergíap. 59
- Eficiencia Exergéticap. 78
- Análisis económicop. 79
- 6.7.1 Costo de producción de la cal en el horno artesanal de 25 toneladasp. 79
- 6.7.2 Costo real de la energía útil aprovechadap. 81
- Conclusionesp. 82
- Referencias Bibliográficasp. 84
- Figura 1. Esquema de un Horno Verticalp. 22
- Figura 2. Horno Artesanal en Sudánp. 23
- Figura 3. Horno Vertical en Zimbabuep. 24
- Figura 4. Horno Regenerativo Marca Maerz en Caleras San Juan, Argentinap. 26
- Figura 5. Partes de un horno de doble eje regenerativop. 26
- Figura 6. Partes Principales de un Horno Rotatorio para Calp. 27
- Figura 7. Horno Rotatorio en Iránp. 28
- Figura 8. Tipos de Hornos Rotatoriosp. 29
- Figura 9. Producción de Piedra Caliza en Colombiap. 31
- Figura 10. Horno Artesanal Nobsa, Boyacáp. 32
- Figura 11. Extracción de piedra de la canterap. 33
- Figura 12. Piedra cargada en volquetasp. 33
- Figura 13. Transporte del mineral hacia los hornosp. 34
- Figura 14. Piedra caliza descargadap. 34
- Figura 15. Proceso de trituración de la piedrap. 35
- Figura 16. Preparación del combustiblep. 35
- Figura 17. Llenado del hornop. 36
- Figura 18. Llenado de la piedra calizap. 36
- Figura 19. Llenado del horno en capasp. 37
- Figura 20. Llenado del horno hasta 10 capasp. 37
- Figura 21. Sellado del horno con arcillap. 38
- Figura 22. Ignición de la capa inferior del hornop. 38
- Figura 23. Calcinación de la piedra calizap. 39
- Figura 24. Extracción de la calp. 39
- Figura 25. Diferentes zonas del hornop. 40
- Figura 26. Muestra de piedra calizap. 41
- Figura 27. Muestra de Calp. 42
- Figura 29. Volumen de controlp. 49
- Figura 30. Diagrama Sankey del balance de energíap. 73
- Figura 31. Diagrama de Exergía en un Sistema Termodinámicop. 77
- Tabla 1. Aplicaciones de la Cal en la Industriap. 19
- Tabla 2. Principales Tipos de Hornos para Calp. 21
- Tabla 3. Principales Productores Mundiales de Calp. 30
- Tabla 4. Conversión porcentaje a masap. 52
- Tabla 5. Composición del combustiblep. 54
- Tabla 6. Análisis de gases planteado por Alcántarap. 55
- Tabla 7. Resultados Obtenidos Prueba de Caracterización (PC):p. 66
- Tabla 8. Resultados Obtenidos FRX Cenizasp. 68
- Tabla 9. Resultados Obtenidos FRX Piedra Calizap. 69
- Tabla 10. Resultados Obtenidos FRX de la Calp. 70
- Tabla 11. Comparación de eficiencias con la literaturap. 76
- Tabla 12. Comparación Eficiencia Exergéticap. 79
- Tabla 13. Gastos Producción de 25 Toneladasp. 80