ES2955217T3 - Método para producir un artículo compactado, unido a carbonato - Google Patents

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Abstract

El método para producir un artículo compactado unido con carbonato, método que comprende las etapas de proporcionar un material carbonatable en partículas; compactar el material particulado para formar un compacto; y carbonatar dicho compacto. La carbonatación del compacto se inicia y posteriormente continúa durante al menos 1 hora con una presión parcial de dióxido de carbono baja en el gas de carbonatación inferior a 0,5 bares, después de lo cual se continúa la carbonatación del compacto durante al menos 8 horas con una presión parcial alta. presión de dióxido de carbono en el gas de carbonatación superior a 0,5 bares. Mediante la carbonatación en dos fases con una presión parcial de dióxido de carbono baja y alta se puede conseguir una mayor resistencia a la compresión de los compactos carbonatados dentro de un tiempo de carbonatación predeterminado, en particular dentro de un tiempo de carbonatación de aproximadamente 24 horas, de modo que cada día se puedan formar nuevos compactos. estar carbonatado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para producir un artículo compactado, unido a carbonato
La presente invención se refiere a un método para producir un artículo compactado unido a carbonato, cuyo método comprende las etapas de proporcionar un material carbonatable particulado; compactar el material particulado para formar un compacto; y carbonatar dicho compacto durante un periodo de tiempo predeterminado con un gas que contiene dióxido de carbono para producir carbonatos, transformando de este modo el compacto en dicho artículo compactado unido a carbonato.
Existen diferentes procedimientos en la producción industrial que producen materiales carbonatables como subproductos. Esos subproductos son, por ejemplo, cenizas volantes, cenizas de fondo (en particular, cenizas de fondo de la incineración de residuos municipales) y escorias generadas durante la producción de fósforo o durante la producción de metales ferrosos o no ferrosos, como zinc, cobre y plomo y hierro o acero. También el polvo de los filtros de aire, por ejemplo procedente de los hornos de acero, es carbonatable, en particular cuando contiene óxidos de calcio. Algunos de esos subproductos se pueden utilizar en diferentes aplicaciones. Las escorias de altos hornos se pueden utilizar, por ejemplo, en la construcción de carreteras y también en la producción de cemento. Algunas escorias, como las escorias de acero comunes (por ejemplo, escorias de acería LD), que tienen un alto valor de neutralización, también pueden usarse, por ejemplo, como agente acondicionador del suelo. Sin embargo, otros materiales, como las cenizas de fondo y las escorias de acero inoxidable, contienen cantidades considerables de metales pesados que son problemáticas de cara a su comportamiento de lixiviado.
Con el fin de limitar el impacto, tanto económico como medioambiental, de esos materiales de desecho domésticos e industriales, se han hecho cada vez más intentos para desarrollar métodos de procesamiento de esos materiales, es decir, métodos para convertir esos materiales de desecho en materiales económicamente valiosos. Una gran cantidad de esos materiales de desecho son alcalinos y comprenden sustancias carbonatables, tales como óxidos y/o hidróxidos de calcio y óxidos y/o hidróxidos de magnesio. Otras sustancias, por ejemplo, los silicatos de calcio contenidos en los materiales de desecho también pueden ser carbonatables. Se sabe que la carbonatación de esas sustancias permite obtener materiales que tienen buenas cualidades mecánicas. Además, la carbonatación también puede ayudar a prevenir la lixiviación de contaminantes como los metales pesados.
Se ha propuesto, por ejemplo, en el documento WO-A-2007/096671, proceder a una carbonatación acelerada de los desechos en un tambor rotatorio con el fin de producir un granulado secundario que puede servir como material de construcción. Se ha propuesto un procedimiento similar para los desechos procedentes de la extracción o procesamiento de metales en el documento WO-A-2009/024826. En los materiales obtenidos por esos procedimientos, la carbonatación de la cal, presente en los residuos, forma una matriz calcárea que garantiza tanto una menor lixiviación de los metales pesados contenidos en los desechos, como una mayor resistencia mecánica.
Las escorias de acero inoxidable son un grupo particular de escorias que contienen cantidades relativamente elevadas de cromo y a menudo también de níquel y/o de molibdeno. Como se describe en los documentos EP-B-0837043, EP-B-1055647 y EP-B-1146022 los problemas de lixiviación de las escorias de acero inoxidable se pueden resolver triturando las escorias de acero, eliminando de las mismas las valiosas partículas de acero inoxidable y aplicando las diferentes fracciones de las escorias trituradas restantes en aplicaciones limitadas, por ejemplo, como árido fino o grueso en hormigón o asfalto. Sin embargo, debido a su mayor contenido en gamma silicato dicálcico (y-C2S), la fracción más fina de esas escorias de acero trituradas (0-0,5 mm) tiene altas propiedades de absorción de agua y, por lo tanto, no es adecuada para uso en aplicaciones de hormigón o asfalto.
Para reducir la alta absorción de agua de los finos extraídos de las fracciones más gruesas de la escoria de acero inoxidable triturada, de modo que no solo esas fracciones más gruesas sino también los finos puedan usarse en hormigón o asfalto, el documento WO 2009/090219 propone agregar y posteriormente carbonatar esos finos bajo una presión relativamente baja. De esta forma, se podrían producir agregados con menores propiedades de absorción de agua y la resistencia necesaria para utilizar en hormigón o asfalto.
Otro método de carbonatación para producir materiales de construcción más valiosos a partir de materiales carbonatables particulados, en particular, a partir de los finos de escorias de acero inoxidable trituradas que tienen un tamaño de entre 0 y 0,5 mm, se describe en el documento WO-A-2009/133120. En ese método, el material particulado se compacta primero con una presión de compactación relativamente alta de entre 5 y 65 MPa, y el compacto obtenido se carbonata posteriormente a una temperatura y presión relativamente altas. De esta forma, se pueden producir compactos carbonatados con una resistencia a la compresión relativamente alta. Controlando la porosidad y la permeabilidad intrínseca de los compactos, y carbonatando durante varias horas (más particularmente durante 18 horas a mayor presión y temperatura), se obtuvieron resistencias a la compresión de entre 26 y 66 MPa con una fracción de escoria fina de acero inoxidable de 0 - 500 μm que se compactó con una presión de compactación de 182 kg/cm2 (= 17,8 MPa). Un inconveniente de este método de la técnica anterior es que, a pesar de que se carbonataban bloques relativamente pequeños (62x62x32 mm y 120x55x46 mm), se requerían presiones de gas elevadas, es decir, presiones superiores a 5 bar, lo que hace que el procedimiento sea bastante costoso.
El documento US 2017/0073270 describe un método de carbonatación en el que se producen bloques de construcción unidos a carbonato partiendo de una mezcla de arena de escoria y un aglutinante de escoria de acero. En el ejemplo "Sample Building Product 1", el aglutinante de escoria de acero es una mezcla de escoria EAF y escoria BOF que tiene una basicidad bastante alta (39,08% en peso de CaO frente a 12,47% en peso de SiO2) de modo que el aglutinante de escoria de acero comprende una cantidad bastante elevada de cal libre que puede reaccionar fácilmente con el dióxido de carbono para producir los carbonatos requeridos. La mezcla contenía aproximadamente el 62% en peso del aglutinante de escoria de acero y aproximadamente el 38% en peso de la arena de escoria. La mezcla se compactó primero con una presión de compactación elevada de 12 MPa, después de lo cual el compacto se secó y se carbonató durante 24 horas con dióxido de carbono que se mantuvo a una presión constante de 1,5 bar. Antes de entrar en la cámara de carbonatación, el gas dióxido de carbono se calentó a 22°C.
Después de la etapa de carbonatación, el bloque carbonatado se dejó hidratar durante 35 días para aumentar su resistencia a la compresión. A pesar de la alta presión de compactación, la gran cantidad de ligante, el tiempo de carbonatación bastante largo y la cantidad relativamente elevada de carbonatos que se produjeron (6,6% de absorción de CO2), la resistencia a la compresión era solo de 22,8 MPa.
Zhan Bao Jian describe en "Effect of curing parameters on CO2 curing of concrete blocks containing recycled aggregates" publicado en el volumen 71 de Ce MeNT AND CONCRETE COMPOSITES, un método para producir un artículo compactado unido a carbonato.
Un objeto de la presente invención ahora es proporcionar un nuevo método para producir artículos compactados unidos a carbonato que permite obtener mayores resistencias a la compresión de los compactos compactados y carbonatados dentro de un tiempo de carbonatación predeterminado, en particular dentro de un tiempo de carbonatación de aproximadamente 24 horas de modo que cada día se pueden carbonatar nuevos compactos.
Para ello el método de la presente invención se caracteriza por que la carbonatación de dicho compacto se inicia y continúa posteriormente durante al menos 1 hora con una presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas, tras lo cual la carbonatación de dicho compacto continúa durante al menos 8 horas con una presión parcial alta de dióxido de carbono en dicho gas, siendo dicha presión parcial baja de dióxido de carbono inferior a 0,5 bar y siendo dicha presión parcial alta de dióxido de carbono igual o superior a 0,5 bar.
La presión parcial de dióxido de carbono se define como la presión parcial del dióxido de carbono en el gas usado para carbonatar el compacto. En caso de que ese gas consista enteramente en dióxido de carbono, la presión parcial del dióxido de carbono es igual a la presión total de ese gas. Sin embargo, en la práctica, el gas será normalmente una mezcla de gases. En particular, el gas puede consistir en aire enriquecido con dióxido de carbono. La presión parcial de dióxido de carbono en ese gas se determina luego por la presión total de ese gas y el porcentaje en volumen de dióxido de carbono contenido en ese gas. Las presiones indicadas son presiones absolutas.
Los presentes inventores han encontrado que carbonatando primero con una presión parcial de dióxido de carbono baja y posteriormente con una presión parcial de dióxido de carbono más alta, se pueden lograr mayores resistencias a la compresión dentro de un mismo periodo de tiempo, en particular dentro de un tiempo de carbonatación de 24 horas. Se sabe que las presiones parciales de dióxido de carbono más altas, es decir, concentraciones más altas de dióxido de carbono en la cámara de carbonatación y/o presiones de gas más altas en la cámara de carbonatación, aceleran el proceso de carbonatación y, por lo tanto, producen más carbonatos. Tal y como se ilustra, por ejemplo, en la Figura 7 del documento EP 2 276 714 B, además, los contenidos en carbonato más altos se correlacionan con resistencias a la compresión más altas de los artículos carbonatados. De acuerdo con la presente invención, la carbonatación de los compactos inicialmente con una presión parcial de dióxido de carbono más baja y posteriormente con una presión parcial de dióxido de carbono más alta, daba lugar sorprendentemente a una mayor resistencia a la compresión de los artículos carbonatados. Los experimentos han mostrado, por ejemplo, que los aglomerantes de finos de escoria de acero inoxidable, con un tamaño de partícula de entre 0 y 500 μm y un contenido en agua que varía entre el 5 y el 11%, permitían producir artículos carbonatados con resistencias a la compresión entre 46 y 54 MPa, compactando los aglutinantes de escoria a una presión relativamente baja de 4 MPa, y carbonatando los compactos inicialmente durante 2 horas con una presión parcial de dióxido de carbono de 0,4 bar (40% en vol. de CO2 a presión atmosférica) y posteriormente durante 18 horas con una presión parcial de dióxido de carbono de 0,8 bar (80% en vol. de CO2 a presión atmosférica), que es considerablemente mayor que la resistencia a la compresión descrita anteriormente de aproximadamente 22 MPa, obtenida en el documento US 2017/0073270.
En una realización del método según la presente invención, después de haber comenzado la carbonatación de dicho compacto, se continúa la carbonatación del mismo durante al menos 1,5 horas con dicha presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas. En una realización adicional del método según la presente invención, después de haber comenzado la carbonatación de dicho compacto, la carbonatación del mismo continúa durante menos de 16 horas, preferentemente durante menos de 12 horas y más preferentemente durante menos de 8 horas, con dicha presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas. Por lo tanto, la carbonatación del compacto con la presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas se lleva a cabo preferentemente, después de haber comenzado la carbonatación, durante 1 a 16 horas, preferentemente durante 1,5 a 12 horas, más preferentemente durante 1,5 a 8 horas y lo más preferentemente durante 1,5 a 6 horas.
Una ventaja de estas realizaciones es que se mejora la resistencia de los compactos carbonatados mientras que queda suficiente tiempo del periodo de carbonatación para producir más carbonatos con el gas que tiene una presión parcial elevada de dióxido de carbono.
En una realización del método según la presente invención, la carbonatación de dicho compacto continúa por lo tanto durante al menos 12 horas, preferiblemente durante al menos 16 horas, con dicha presión parcial elevada de dióxido de carbono en dicho gas.
En una realización del método según la presente invención, dicho gas que tiene dicha presión parcial baja de dióxido de carbono está a una presión que es inferior a 5 bar, preferentemente inferior a 3 bar, más preferentemente inferior a 2 bar y lo más preferentemente inferior a 1,5 bar, siendo dicha presión preferentemente igual o superior a la presión atmosférica. En una realización del método según la presente invención, dicho gas que tiene dicha presión parcial elevada de dióxido de carbono está a una presión que es inferior a 5 bar, preferentemente inferior a 3 bar y más preferentemente inferior a 2 bar, siendo dicha presión preferentemente igual o superior a la presión atmosférica.
En la presente memoria descriptiva, las presiones de gases, o presiones parciales de gases, son presiones absolutas. Las presiones relativamente bajas indicadas en estas realizaciones son ventajosas por que la carbonatación puede llevarse a cabo en una cámara climática que no tiene que resistir altas presiones, y en donde preferiblemente no tiene que crearse un vacío parcial. Por lo tanto, son posibles producciones elevadas sin inversiones demasiado altas en las instalaciones de carbonatación requeridas.
En una realización del método según la presente invención, dicha presión parcial baja de dióxido de carbono es inferior a 0,45 bar.
Cuanto menor sea la presión parcial de dióxido de carbono, menor será la tasa de carbonatación. De acuerdo con la presente invención, se ha encontrado que cuando se carbonatan inicialmente los compactos con una tasa de carbonatación más baja, se pueden obtener artículos carbonatados más fuertes.
En una realización del método según la presente invención, dicha presión parcial baja de dióxido de carbono es superior a 0,05 bar, preferentemente superior a 0,1 bar y más preferentemente superior a 0,15 bar.
Una ventaja de esta realización es que usando tales presiones parciales de dióxido de carbono durante la fase inicial de la etapa de carbonatación, se puede lograr una resistencia a la compresión elevada al mismo tiempo que permite reducir la duración requerida de la fase inicial de carbonatación a baja presión.
En una realización del método según la presente invención, dicha presión parcial elevada de dióxido de carbono es superior a 0,6 bar, preferentemente superior a 0,7 bar y más preferentemente superior a 0,75 bar.
Una ventaja de esta realización es que cuanto mayor sea la presión parcial de dióxido de carbono en el gas durante la segunda fase de la etapa de carbonatación, más rápidamente se producen los carbonatos y se logra la resistencia a la compresión requerida. En otras palabras, se puede reducir de este modo la duración de la etapa de carbonatación o se pueden lograr mayores resistencias a la compresión dentro de un mismo periodo de carbonatación.
En una realización del método según la presente invención, el periodo de tiempo predeterminado durante el cual se carbonata el compacto comprende menos de 32 horas, en particular menos de 28 horas y más en particular 24 horas o menos.
Con periodos de carbonatación tan cortos, se puede lograr una capacidad de producción elevada. En particular, es posible producir cada día una nueva carga de artículos carbonatados sin tener que organizar el trabajo en turnos de noche.
En una realización del método según la presente invención, el periodo de tiempo predeterminado durante el cual se carbonata el compacto comprende más de 16 horas, en particular más de 18 horas y más en particular más de 20 horas.
Esos periodos de carbonatación permiten lograr resistencias a la compresión relativamente altas cuando se carbonatan los compactos de acuerdo con la presente invención, es decir, con una presión parcial de dióxido de carbono baja, seguida de una presión parcial de dióxido de carbono alta.
En una realización del método según la presente invención, la carbonatación de dicho compacto se inicia con dicho gas que tiene una temperatura inferior a 50°C, preferentemente inferior a 45°C y más preferentemente inferior a 40°C.
La ventaja de tales temperaturas iniciales más bajas es que la tasa de carbonatación también es más baja y se pueden lograr resistencias a la compresión más altas.
En una realización del método según la presente invención, la carbonatación de dicho compacto se inicia con dicho gas que tiene una temperatura superior a 20°C, preferentemente superior a 25°C y más preferentemente superior a Empleando temperaturas más altas, la carbonatación del compacto comienza más rápidamente, lo que permite obtener una resistencia a la compresión suficientemente alta en un periodo de tiempo más corto.
En una realización del método según la presente invención, durante la carbonatación de dicho compacto la temperatura de dicho gas aumenta hasta una temperatura superior a 50°C, preferentemente superior a 55°C y más preferentemente superior a 60°C. Preferiblemente, la temperatura de dicho gas se mantiene por debajo de 95°C, más preferiblemente por debajo de 90°C.
Debido a la reacción exotérmica de hidratación/carbonatación, la temperatura aumentará automáticamente durante el proceso de carbonatación. Las temperaturas más altas, en particular durante la segunda fase de la etapa de carbonatación, acelerarán aún más el proceso de carbonatación sin tener, no obstante, un efecto negativo sobre la resistencia a la compresión que se puede lograr.
En una realización del método según la presente invención, el material particulado comprende escoria carbonatable procedente de un proceso de producción de metal, escoria procedente de la producción de fósforo, cenizas de fondo y/o cenizas volantes, el material particulado comprende preferiblemente escoria de acero, en particular escoria de acero inoxidable.
En una realización del método según la presente invención, el material particulado que se compacta para formar dicho compacto tiene un contenido en agua de al menos el 1%, preferiblemente al menos el 3% y más preferiblemente al menos el 5% en peso seco.
Se requiere una cantidad mínima de agua para la etapa de carbonatación, en particular al menos un 1% en peso seco, mientras que un mayor contenido en agua es ventajoso para lograr mayores resistencias verdes del compacto.
Otras particularidades y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de algunas realizaciones particulares.
La presente invención se refiere en general a un método para producir un artículo compactado, unido a carbonato mediante la compactación y la carbonatación de un material carbonatable particulado.
La expresión "material particulado", o también "material granular", se refiere a cualquier material que consiste en partículas sueltas. Esas partículas pueden ser de diferente tamaño, de modo que la expresión "material particulado" no solo incluye granulados gruesos o finos, sino también granulados muy finos, en particular polvos.
El material particulado puede consistir en un material particulado que es carbonatable o puede consistir en una mezcla de al menos un primer material particulado que es carbonatable y al menos un segundo material particulado que es carbonatable o no. Un material particulado que no es carbonatable comprende, por ejemplo, arena natural, tal como arena de mar o arena de río.
La granulometría del material particulado, o de la mezcla del primer y segundo material particulado, se selecciona preferentemente para lograr una mayor densidad de empaquetamiento, o en otras palabras, una menor porosidad total, ya que de esta manera se puede obtener una mayor resistencia a la compresión. La resistencia a la compresión del compacto antes de la etapa de carbonatación, es decir, la resistencia verde del compacto, así como la resistencia a la compresión del compacto carbonatado se determina de acuerdo con la norma europea EN 12390-3:2009.
El material particulado que es carbonatable, es decir, el material carbonatable como un todo o, en el caso de las mezclas descritas anteriormente del primer y segundo material dado, el primer material particulado y/o el segundo material particulado cuando es carbonatable, comprende preferiblemente un subproducto o un producto de desecho. El material particulado que es carbonatable tiene en particular un pH de al menos 8,3 y comprende una fuente de al menos un metal alcalinotérreo, en particular calcio. El pH del material carbonatable se define como el pH del agua desmineralizada en la que el material particulado se ha sumergido durante 18 horas, en una relación líquido/sólido de 4,5. El material carbonatable puede contener diferentes fases cristalinas y amorfas y preferiblemente contiene al menos una fase de silicato de metal alcalinotérreo, en particular silicato dicálcico cristalino.
El material particulado que es carbonatable también comprende preferiblemente óxido de calcio y/o hidróxido de calcio, siendo la cantidad total de óxido de calcio e hidróxido de calcio preferiblemente al menos un 1% en peso seco, más preferiblemente al menos un 2% en peso seco. También puede contener óxido de magnesio y/o hidróxido de magnesio. Esos óxidos e hidróxidos pueden estar en forma amorfa y/o cristalina, en particular en forma de portlandita (Ca(OH)2), cal libre (CaO), brucita (Mg(OH)2) y en forma de periclasa (MgO). También pueden estar presentes en formas amorfas o cristalinas que comprenden magnesio y calcio, en proporciones variables, y oxígeno. Inicialmente, como a menudo se producen a altas temperaturas, los materiales carbonatables recién producidos normalmente no contienen hidróxidos sino solo óxidos, formándose los hidróxidos con el envejecimiento (intemperización) del material carbonatable o durante la etapa de carbonatación. Como el aire también contiene una pequeña cantidad de dióxido de carbono, al envejecer el material carbonatable, una porción de los hidróxidos se transforma adicionalmente en carbonatos (por carbonatación natural).
Una amplia variedad de materiales carbonatables son adecuados para ser procesados según el método de acuerdo con la presente invención. Materiales carbonatables adecuados son, por ejemplo, cenizas de fondo, más particularmente cenizas de fondo producidas durante la incineración de residuos, en particular de residuos municipales (es decir, cenizas de fondo de incineración de residuos municipales). También se pueden carbonatar cenizas volantes, en particular cenizas volantes que no sean de carbón y además polvo de filtro procedente de un horno de acero, en particular de un horno de arco eléctrico (polvo de filtro EAF). Sin embargo, los materiales carbonatables más preferidos son materiales de escoria resultantes de procesos de producción de metales (producción de arrabio, acero, acero inoxidable y producción de metales no ferrosos tales como cobre y zinc) y de la producción de fósforo. El material carbonatable usado es preferiblemente un material no hidráulico o sustancialmente no hidráulico. Dado que un material no hidráulico no puede proporcionar como tal una matriz ajustable por reacción con agua (en particular por formación de CSH), aún se puede producir un artículo sólido por carbonatación de ese material.
El material de escoria puede ser una escoria de alto horno pero es preferiblemente una escoria de fabricación de acero, más preferiblemente una escoria de fabricación de acero inoxidable. Las escorias de fabricación de acero pueden ser escorias de convertidor (tales como escorias LD) o escorias de horno de arco eléctrico (escorias EAF). Las escorias de fabricación de acero comunes no contienen o solo contienen pequeñas cantidades de metales pesados como el cromo y el níquel y, por lo tanto, no presentan problemas de lixiviación como lo hacen las escorias de acero inoxidable. Las escorias de acero inoxidable contienen generalmente más de 3000 mg/kg de cromo y normalmente incluso más de 5000 mg/kg de cromo. También pueden contener níquel, más particularmente más de 300 mg/kg, en particular más de 400 mg/kg y a menudo incluso más de 500 mg/kg de níquel. Al carbonatar esas escorias carbonatables, se puede reducir o incluso prevenir la lixiviación de esos metales pesados.
Las escorias de acero, y en particular las escorias de acero inoxidable, normalmente se trituran para producir un material granular a partir del cual se puede reciclar la fracción metálica. La fracción más gruesa de la escoria de acero inoxidable triturada se puede utilizar como agregado grueso o fino en hormigón de asfalto. Sin embargo, la fracción más fina, en particular la fracción de 0-500 gm, tiene propiedades de absorción de agua demasiado altas, por lo que no es adecuada, como tal, para esas aplicaciones. La fracción más fina, es decir, los llamados finos, contiene de hecho una mayor cantidad de gamma silicato dicálcico (y-C2S) que se produce durante la solidificación de la escoria líquida cuando una porción de los beta silicatos dicálcicos (p-C2S) se transforma adicionalmente en el polimorfo gamma. Debido a la expansión resultante, se forman grietas y se produce la denominada escoria que cae, que tiene propiedades elevadas de absorción de agua. Ese material de escoria de acero inoxidable, que contiene en particular al menos un 3% en peso seco, más particularmente al menos un 5% en peso seco y aún más particularmente al menos un 7% en peso seco de y-C2S, se usa preferentemente como material particulado, o como uno de los materiales particulados, en el método de la presente invención.
En el método de la presente invención, el material carbonatable particulado se compacta primero para producir compactos. Esto se puede hacer aplicando el material en un molde y vibrando o comprimiendo el material en el mismo. Después de haber compactado el material carbonatable, el compacto producido se carbonata por medio de un gas que contiene dióxido de carbono produciendo así carbonatos que transforman el compacto en el artículo compactado unido a carbonato.
Los compactos se retiran del molde y se colocan en una cámara de carbonatación. Esa cámara puede ser un autoclave en el que se aplican presiones de gas relativamente altas. Sin embargo, en el método según la presente invención, la etapa de carbonatación se lleva a cabo preferiblemente con presiones de gas más bajas, en particular con presiones de gas totales inferiores a 5 bar, preferiblemente inferiores a 3 bar, más preferiblemente inferiores a 2 bar y lo más preferiblemente inferiores a 1,5 bar. La etapa de carbonatación se puede realizar en particular a presión atmosférica. Por lo tanto, se puede utilizar una cámara climática menos costosa como cámara de carbonatación.
Los compactos se carbonatan preferentemente durante 16 a 32 horas, más preferentemente durante 18 a 28 horas y lo más preferentemente durante 20 a 24 horas. En la práctica, se prefiere un tiempo total de carbonatación de 24 horas como máximo para que cada día se pueda carbonatar una nueva carga de compactos.
La resistencia a la compresión de los compactos carbonatados depende de una serie de factores tales como la naturaleza y la granulometría del material particulado, el grado de compactación del mismo (es decir, la porosidad) y la cantidad de carbonatos producidos en los mismos por la reacción de carbonatación. Dentro de un mismo periodo de tiempo, se pueden producir más carbonatos con temperaturas más altas y con presiones parciales de dióxido de carbono más altas.
Sin embargo, de acuerdo con la presente invención, se ha encontrado que dentro de un periodo de carbonatación predeterminado se pueden lograr resistencias a la compresión más altas no produciendo tantos carbonatos como sea posible, sino carbonatando primero el compacto, durante una fase inicial de la etapa de carbonatación, más lentamente con una presión parcial de dióxido de carbono más baja en la cámara de carbonatación y carbonatando posteriormente el compacto, durante la siguiente fase de la etapa de carbonatación, más rápidamente con una presión parcial de dióxido de carbono más alta.
En el método de acuerdo con la presente invención, se inicia la carbonatación de los compactos y la carbonatación de los compactos continúa posteriormente durante al menos 1 hora con una presión parcial baja de dióxido de carbono en la cámara de carbonatación y luego continúa durante al menos 8 horas con una presión parcial elevada de dióxido de carbono en la cámara de carbonatación. La presión parcial baja de dióxido de carbono es inferior a 0,5 bar, mientras que la presión parcial elevada de dióxido de carbono es igual o superior a 0,5 bar.
La carbonatación de los compactos se inicia desde el momento en que los compactos se ponen en contacto con un gas, en una cámara de carbonatación, que tiene un contenido en dióxido de carbono superior al del aire circundante. La fase subsiguiente de la etapa de carbonatación comienza cuando los compactos están en contacto con el gas que proporciona la presión parcial baja de dióxido de carbono en la cámara de carbonatación. Usualmente, los compactos se colocan primero en la cámara de carbonatación después de que se proporciona la presión parcial de dióxido de carbono, en particular suministrando dióxido de carbono gaseoso dentro de la cámara de carbonatación. Durante la fase de carbonatación con presión parcial baja de dióxido de carbono, el contenido en dióxido de carbono o la presión parcial correspondiente, se puede vigilar y se puede suministrar dióxido de carbono adicional dentro de la cámara de carbonatación para mantener la presión parcial de dióxido de carbono dentro del intervalo requerido. Dado que el dióxido de carbono se consume durante la etapa de carbonatación, normalmente debe reponerse en la cámara de carbonatación. Para iniciar la fase de carbonatación con la presión parcial elevada de dióxido de carbono, se puede suministrar dióxido de carbono adicional dentro de la cámara de carbonatación para aumentar la presión parcial de dióxido de carbono en la misma.
En la realización descrita anteriormente, la presión dentro de la cámara de carbonatación se puede mantener constante y la presión parcial de dióxido de carbono se modifica cambiando el contenido en dióxido de carbono en el gas contenido en la cámara de carbonatación.
El gas en la cámara de carbonatación también se puede reciclar a través de un primer contenedor, que contiene un gas que tiene un bajo contenido en dióxido de carbono, y posteriormente a través de un segundo contenedor, que contiene un gas que tiene un mayor contenido en dióxido de carbono. De esta forma, se puede evitar o reducir la pérdida de dióxido de carbono en la atmósfera cuando se abre la cámara de carbonatación para retirar los compactos carbonatados de la misma. Alternativamente, al final de la etapa de carbonatación, se puede dejar primero que el contenido en dióxido de carbono en la cámara de carbonatación disminuya antes de retirar los compactos carbonatados de la misma.
El gas que tiene el bajo contenido en dióxido de carbono puede ser un gas de combustión. Si a presión atmosférica la presión parcial de dióxido de carbono en ese gas de combustión no es lo suficientemente alta para la primera fase de la etapa de carbonatación, la presión del gas de combustión se puede aumentar. Si se requiere una presión parcial de dióxido de carbono de 0,4 bar y el gas de combustión contiene un 20% en volumen de dióxido de carbono, ese gas de combustión debe llevarse a una presión de aproximadamente 2 bar en la cámara de carbonatación.
También es posible proporcionar un sistema de carbonatación continua en el que el compacto se conduce a través de una primera zona, en la que se mantiene la presión parcial baja de dióxido de carbono, y posteriormente a través de una segunda zona en la que se mantiene la presión parcial alta de dióxido de carbono. Tal sistema se puede producir en particular cuando las diferentes zonas están a presión atmosférica para evitar que el gas se escape del sistema.
En lugar de, o además de, ajustar la presión parcial de dióxido de carbono ajustando el contenido en dióxido de carbono del gas utilizado para carbonatar los compactos, también es posible aumentar la presión de ese gas en caso de que se necesite una presión parcial de dióxido de carbono más alta. En la cámara de carbonatación esto puede obtenerse automáticamente, cuando la cámara de carbonatación está sellada herméticamente, al añadir gas dióxido de carbono adicional para elevar su presión parcial desde dicha presión parcial baja a dicha presión alta de dióxido de carbono. Cuando la primera fase de la etapa de carbonatación se produce a presión atmosférica, la segunda fase de la etapa de carbonatación podría realizarse a 1,5 bar añadiendo aproximadamente 0,5 bar o una presión de dióxido de carbono.
La primera fase de la etapa de carbonatación, es decir, la carbonatación de los compactos con una presión parcial baja de dióxido de carbono dura al menos 1 hora y preferiblemente al menos 1,5 horas. Preferiblemente, esa primera fase se detiene, en particular aumentando la presión parcial de dióxido de carbono en la cámara de carbonatación, en menos de 16 horas, preferiblemente en menos de 8 horas y más preferiblemente en menos de 6 horas. Posteriormente, la segunda fase de la etapa de carbonatación, es decir, la carbonatación de los compactos con la presión parcial elevada de dióxido de carbono dura al menos 8 horas, preferiblemente al menos 12 horas y más preferiblemente al menos 16 horas.
Según la invención, la presión parcial baja de dióxido de carbono aplicada en la cámara de carbonatación durante la primera fase de carbonatación es inferior a 0,5 bar, y preferentemente inferior a 0,45 bar. Esas presiones parciales bajas de dióxido de carbono proporcionan una carbonatación relativamente lenta de los compactos, lo cual se encontró que produce carbonatos que proporcionan más resistencia a los compactos carbonatados, incluso cuando en la siguiente fase de carbonatación ésta se aceleraba al proporcionar una presión parcial de dióxido de carbono más alta en la cámara de carbonatación.
Para producir los carbonatos que aumentan la resistencia, requeridos durante la primera fase de la etapa de carbonatación, la presión parcial baja de dióxido de carbono proporcionada durante esa primera fase de carbonatación en la cámara de carbonatación es preferentemente superior a 0,05 bar, más preferentemente superior a 0,1 bar y lo más preferentemente superior a 0,15 bar. La presión de carbonatación parcial baja está por lo tanto preferentemente comprendida entre 0,05 y 0,5 bar, preferentemente entre 0,1 y 0,45 bar y lo más preferentemente entre 0,15 y 0,4 bar.
Para producir la cantidad requerida de carbonatos durante la segunda fase de la etapa de carbonatación, la presión parcial elevada de dióxido de carbono proporcionada durante esa segunda fase de carbonatación en la cámara de carbonatación es superior a 0,5 bar, preferentemente superior a 0,6 bar, más preferentemente superior a 0,7 bar y lo más preferentemente superior a 0,75 bar. La presión de carbonatación parcial alta es preferentemente inferior a 5 bar, más preferentemente inferior a 3 bar, incluso más preferentemente inferior a 2 bar y lo más preferentemente inferior a 1,5 bar. La presión de carbonatación parcial alta está por tanto preferentemente comprendida entre 0,5 y 5 bar, preferentemente entre 0,6 y 3 bar y lo más preferentemente entre 0,7 y 2 bar.
La temperatura del gas de carbonatación también tiene un efecto sobre la tasa de carbonatación. Una temperatura más alta acelera la carbonatación mientras que una temperatura más baja proporciona una carbonatación más lenta.
Dado que en la primera fase de carbonatación el procedimiento de carbonatación debe ser suficientemente lento, la carbonatación de los compactos se inicia preferentemente con un gas de carbonatación que está a una temperatura inferior a 50°C, preferentemente inferior a 45°C y más preferentemente inferior a 40°C. Para iniciar el procedimiento de carbonatación lo suficientemente rápido, la carbonatación de los compactos se inicia preferentemente con un gas de carbonatación que tiene una temperatura superior a 20°C, preferentemente superior a 25°C y más preferentemente superior a 35°C. Durante la segunda fase de carbonatación, la temperatura del gas de carbonatación se incrementa preferentemente, o se permite que aumente, a una temperatura superior a 50°C, preferentemente superior a 55°C y más preferentemente superior a 60°C. Preferiblemente, esa temperatura debe permanecer por debajo de 95°C, o al menos 10°C por debajo del punto de ebullición del agua a la presión predominante en la cámara de carbonatación, para evitar la ebullición del agua contenida en los compactos.
Ejemplos
Ejemplo 1
Se trituró un material de escoria de acero inoxidable hasta un tamaño de partícula de entre 0 y 35 mm y se separó en una fracción de 10 a 35 mm y una fracción de 0 a 10 mm. La fracción de 0 a 10 mm se separó en una fracción de 0 a 2 mm y en una fracción de 2 a 10 mm.
De la fracción de 0 a 2 mm, se retiraron las partículas de acero y se separó la fracción en una fracción de arena gruesa de 0,5 a 2 mm y en una fracción de arena fina de 0 a 0,5 mm.
La fracción de arena fina se secó y su contenido en humedad (expresado en porcentaje de peso total) se ajustó a los valores indicados en la Tabla 1. Los compactos se prepararon con una presión de compactación de 0,4 MPa utilizando el 100% de la fracción de arena fina. La carbonatación se llevó a cabo a presión atmosférica, es decir, a aproximadamente 1 bar de presión absoluta. El gas utilizado para carbonatar el compacto es una mezcla de gases obtenida al enriquecer el aire con CO2. El contenido en CO2 del gas (aire enriquecido) utilizado para carbonatar los compactos se indica en porcentaje de volumen. Dado que la presión total del gas utilizado para carbonatar los compactos es igual a la suma de las presiones parciales de los diferentes gases contenidos en ese gas (en este caso principalmente CO2, N2 y O2), la presión parcial de dióxido de carbono en ese gas se puede determinar fácilmente y es igual al porcentaje en volumen de CO2 en ese gas multiplicado por la presión total del gas. En los presentes ejemplos, la presión total del gas utilizado para carbonatar los compactos era igual a aproximadamente 1 bar, de modo que cuando ese gas contenía 40% en vol. de CO2 (en la primera fase de carbonatación), el dióxido de carbono parcial en ese gas era igual a aproximadamente 0,4 bar, mientras que cuando ese gas contenía 80% en vol. de CO2 (en la segunda fase de carbonatación), el dióxido de carbono parcial en ese gas era igual a aproximadamente 0,8 bar.
Tabla 1: Parámetros de carbonatación y resistencias a la compresión resultantes del compacto carbonatado producido en el Ejemplo 1
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000009_0001
Debido a la reactividad relativamente alta de la fracción de arena fina, se obtuvo una alta resistencia a la compresión después de un tiempo total de carbonatación de 20 horas. Esas resistencias a la compresión eran mucho más altas que la resistencia a la compresión obtenida en el Ejemplo "Sample Building Product 1" del documento US 2017/0073270. A pesar de que en ese Ejemplo también se usaba un aglomerante de escoria de acero reactivo y un contenido en agua similar, aunque se aplicaba una presión de compactación mucho más alta de 12 MPa, lo que normalmente debería conducir a resistencias a la compresión más altas debido a la porosidad reducida, el bloque de construcción carbonatado obtenido solo tenía una resistencia a la compresión de 22,8 MPa.
Ejemplo 2
En este ejemplo se usó la misma fracción de arena fina de 0 a 0,5 mm que en el Ejemplo 1 junto con la fracción de arena de 0,5 a 2 mm y una fracción de 2 a 6 mm tamizada a partir de la fracción de 2 a 10 mm.
Tabla 2: Parámetros de carbonatación y resistencias a la compresión resultantes de los compactos carbonatados.
Figure imgf000009_0002
Se puede observar que con el procedimiento de carbonatación de dos fases se obtenía una mayor resistencia a la compresión, independientemente del hecho de que en el ejemplo comparativo se empleara gas CO2 puro, a una presión más alta de 1,5 bar y durante más tiempo, es decir, durante 24 horas en lugar de solo 20 horas.
Ejemplo 3
En este ejemplo se utilizó la misma fracción de arena fina de 0 a 0,5 mm que en el Ejemplo 1 junto con la fracción de arena de 0,5 a 2 mm.
Tabla 3: Parámetros de carbonatación y resistencias a la compresión resultantes de los compactos carbonatados
Figure imgf000010_0001
Se puede observar que con el procedimiento de carbonatación de dos fases se obtenía una mayor resistencia a la compresión, independientemente del hecho de que en el ejemplo comparativo se empleara gas CO2 puro, a una presión mayor de 1,5 bar y durante más tiempo, es decir, durante 24 horas en lugar de solo 22 horas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir un artículo compactado unido a carbonato, cuyo método comprende las etapas de:
- proporcionar un material carbonatable particulado;
- compactar el material particulado para formar un compacto; y
- carbonatar dicho compacto durante un periodo de tiempo predeterminado con un gas que contiene dióxido de carbono para producir carbonatos, transformando de este modo el compacto en dicho artículo compactado unido a carbonato,
caracterizado por que
se inicia la carbonatación de dicho compacto y posteriormente continúa durante al menos 1 hora con una presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas, después de lo cual continúa la carbonatación de dicho compacto durante al menos 8 horas con una presión parcial alta de dióxido de carbono en dicho gas, siendo dicha presión parcial baja de dióxido de carbono inferior a 0,5 bar y siendo dicha presión parcial alta de dióxido de carbono igual o superior a 0,5 bar.
2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado por que después de haber comenzado la carbonatación de dicho compacto, continúa la carbonatación del mismo durante al menos 1,5 horas con dicha presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas.
3. Un método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que después de haber comenzado la carbonatación de dicho compacto, continúa la carbonatación de dicho compacto durante menos de 16 horas, preferiblemente durante menos de 12 horas y más preferiblemente durante menos de 8 horas, con dicha presión parcial baja de dióxido de carbono en dicho gas.
4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la carbonatación de dicho compacto continúa durante al menos 12 horas, preferiblemente durante al menos 16 horas, con dicha presión parcial elevada de dióxido de carbono en dicho gas.
5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dicho gas que tiene dicha presión parcial baja de dióxido de carbono está a una presión que es inferior a 5 bar, preferentemente inferior a 3 bar, más preferentemente inferior a 2 bar y lo más preferentemente inferior a 1,5 bar, siendo dicha presión preferentemente igual o superior a la presión atmosférica.
6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicho gas que tiene dicha presión parcial alta de dióxido de carbono está a una presión que es inferior a 5 bar, preferentemente inferior a 3 bar y más preferentemente inferior a 2 bar, siendo dicha presión preferentemente igual o superior a la presión atmosférica.
7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dicha presión parcial baja de dióxido de carbono es inferior a 0,45 bar.
8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que dicha presión parcial baja de dióxido de carbono es superior a 0,05 bar, preferentemente superior a 0,1 bar y más preferentemente superior a 0,15 bar.
9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicha presión parcial alta de dióxido de carbono es superior a 0,6 bar, preferentemente superior a 0,7 bar y más preferentemente superior a 0,75 bar.
10. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que dicho periodo de tiempo predeterminado comprende menos de 32 horas, en particular menos de 28 horas y más en particular 24 horas o menos.
11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que dicho periodo de tiempo predeterminado comprende más de 16 horas, en particular más de 18 horas y más en particular más de 20 horas.
12. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que la carbonatación de dicho compacto se inicia teniendo dicho gas una temperatura inferior a 50°C, preferentemente inferior a 45°C y más preferentemente inferior a 40°C.
13. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que la carbonatación de dicho compacto se inicia teniendo dicho gas una temperatura superior a 20°C, preferentemente superior a 25°C y más preferentemente superior a 35°C.
14. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que durante la carbonatación de dicho compacto se incrementa la temperatura de dicho gas a una temperatura superior a 50°C, preferentemente superior a 55°C y más preferentemente superior a 60°C.
15. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por que dicho material particulado comprende escoria carbonatable procedente de un procedimiento de producción de metal, escoria procedente de la producción de fósforo, cenizas de fondo y/o cenizas volantes, el material particulado comprende preferiblemente escoria de acero, en particular escoria de acero inoxidable.
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