ES2245895B1 - Obtencion de materiales aislantes a partir de residuos de procesos termicos que utilizan biomasa. - Google Patents
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Abstract
Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa. La presente invención tiene por objeto la obtención de materiales con alta capacidad de aislamiento térmico y de resistencia al fuego a base de residuos (cenizas y escorias) que proceden de procesos tales como la combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento térmico que utilizan biomasa, o mezclas de combustibles fósiles y biomasa. Los materiales desarrollados se caracterizan porque, en su composición, las cenizas, escorias o las mezclas de las anteriores representan, en base seca, más del 50% en peso del producto tal como se utiliza como material sin aglomerar mezclado con agua para conseguir su amasado y posterior conformado o gunitado. El reciclado de estos materiales permite una nueva aplicación de los residuos de los procesos térmicos y químicos antes señalados en aplicaciones de alto valor añadido, al ser utilizados como aislantes térmicos o resistentes al fuego en edificios, naves e instalaciones industriales.
Description
Obtención de materiales aislantes a partir de
residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa.
Se refiere la presente invención a la obtención
de aislamientos térmicos y de materiales resistentes al fuego,
fabricados con cenizas o escorias que proceden de procesos como la
combustión, pirólisis o gasificación de biomasa o de mezclas de
combustibles fósiles-biomasa, representando las
cenizas, escorias o las mezclas de las anteriores, en base seca,
más del 50% en peso de los constituyentes del producto final.
La invención es aplicable fundamentalmente al
ámbito de la obtención de materiales aislantes o para la protección
pasiva contra el fuego utilizables en un amplio espectro de la
construcción de edificios, naves e instalaciones industriales.
Estos materiales pueden presentarse en forma de almohadillas,
sacos, conformados, mantas o fieltros, revestimientos, enfoscados,
gunitados y paneles bien sean flexibles, rígidos o
semi-rígidos. Se puede destacar su uso en
divisiones o compartimentaciones resistentes al fuego como puertas
cortafuego, tabiques, mamparas, trasdosados, falsos techos,
protección de estructuras metálicas, etc.
Algunos de los productos comerciales empleados
como aislantes térmicos o para la protección pasiva contra el
fuego, tienen una composición química y propiedades que pueden
esperarse en mezclas inorgánicas a base de cenizas y escorias. En
este sentido, los resultados de estudios desarrollados por los
investigadores que presentan esta solicitud de patente, en los que
se han analizado las posibles aplicaciones de las cenizas de
combustión del carbón junto con aglomerantes como el cemento
portland y otros residuos industriales, en el campo de la
protección pasiva contra el fuego, avalan esta hipótesis
("Development of new fire-proof products made from
coal fly ash: the CEFYR project". Journal of Chemical
Technology and Biotechnology, 77 (2003) 361-366
y "Recycling potential of coal fly ash and titanium waste as new
fire-proof products". Chemical Engineering
Journal, 95,(2003) 155-161).
Se ha demostrado en muchos casos que es posible
obtener materiales aislantes térmicos y resistentes al fuego a
partir de residuos industriales sin valor de mercado (cuando no
onerosos para el medio ambiente). Así, por ejemplo, en pastas
constituidas mayoritariamente por cenizas volantes de la combustión
del carbón se suelen dar las características generalmente exigibles
a los productos aislantes o resistentes al fuego como son:
incombustibilidad, estabilidad a temperaturas elevadas, no
generación de humos ni gases en condiciones de incendios y ausencia
de características ecotóxicas. Además, cuando se conforman como
placas o como pastas proyectadas, dichos morteros poseen, a igualdad
de espesores, una capacidad aislante comparable a la de productos
comerciales a base de silicato cálcico, un producto muy utilizado
en aislamientos térmicos y para la protección pasiva contra el
fuego de edificios, naves e instalaciones industriales. Asimismo,
como alternativa al vertido de las cenizas procedentes de la
combustión del carbón, han aparecido en los últimos años
aplicaciones de reciclado de las mismas en: productos cerámicos,
productos a base de silicato cálcico, morteros y hormigones,
paneles para la construcción y puertas corta fuego (JP Patent
09100153 A2-1997-, JP Patent 2000086348
A2-2000-, JP Patent
2001151506-A-2001-, WO Patent
9709283-A-1997-, WO Patent 200035826
B1-2000-, CN Patent 1264688
A-2000-, JP Patent
11180743-A-1999-, EP Patent
999606-A–1999-, JP Patent 5279136-A
-1993-, JP Patent 10025170 A2-1998-, WO Patent
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1198418-A-1999-, DE Patent
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1280962-A-2001-, TW Patent
402658-A-2001-, NZ Patent
333778-A-2000-).
Dado el previsible aumento del uso de la biomasa
como fuente de energía o como materia prima de otros procesos, en
el futuro se van a generar nuevos tipos de cenizas y escorias en
grandes cantidades, por lo que diferentes esfuerzos tecnológicos se
van a orientar hacia la búsqueda de nuevas alternativas de
utilización de estos residuos, distintas a su eliminación en
vertederos.
Por tanto, con la presente invención se
disminuyen los problemas medioambientales que previsiblemente
ocasionarán las cenizas y escorias procedentes de la utilización de
la biomasa o mezclas de biomasa y combustibles fósiles, en
diferentes procesos químicos y térmicos, mediante su reciclado en
forma de materiales que puedan aportarle un valor añadido
importante, consiguiéndose, al mismo tiempo, una reducción en el
coste de gestión y vertido de dichos subproductos.
Además, las características de aislamiento
térmico y de resistencia al fuego se ven favorecidas, con respecto
a los productos con cenizas de la combustión del carbón, cuando se
utilizan cenizas o escorias que proceden de procesos como la
combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento
térmico que utilizan biomasa, o mezclas de combustibles fósiles y
biomasa, junto con diversos aglomerantes y una proporción
minoritaria de aditivos.
Asimismo, las características de los productos
obtenidos a partir de las materias primas secundarias antes
mencionadas, pueden hacerlos competitivos frente a otros productos
comerciales con propiedades de aislamiento térmico o de resistencia
al fuego iguales o inferiores a las de los productos que se
presentan en esta invención.
La presente invención permite utilizar, por
primera vez, en aislamientos térmicos y para la protección pasiva
contra el fuego, cenizas o escorias que proceden de procesos como
la combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de
tratamiento térmico que utilizan biomasa, o mezclas de combustibles
fósiles y biomasa, en más del 50% en peso y base seca, de los
constituyentes del producto final.
Para mejorar las propiedades aislantes y de
resistencia al fuego de los productos fabricados, se escogen las
cenizas o escorias más adecuadas entre los distintos subproductos
que generen los procesos de tratamiento térmico citados
anteriormente.
Las cenizas y escorias se usan sin
pretratamientos previos, aunque en función de sus propiedades
físico-químicas pueden ser sometidas a tratamientos
de separación, molienda, tamizado y ataques químicos con ácidos o
bases. El alcance de estas operaciones viene dado por el grado de
mejora que se desee conseguir en el producto final con respecto a
las siguientes propiedades: resistencia al fuego, conductividad
térmica, densidad, capacidad calorífica, capacidad de
almacenamiento de agua, coeficiente de absorción acústico,
resistencia a compresión, flexión e impacto, rigidez de los
productos, dureza y color, o bien eliminar componentes del residuo
indeseados.
Para la fabricación del producto final, las
cenizas, escorias o sus mezclas se utilizan solas o junto con:
- \bullet
- Aditivos con propiedades aglomerantes (yeso, cal, cemento, escayola, cenizas volantes procedentes de la combustión del carbón, óxido de magnesio, alúmina, fosfatos de magnesio, arena, gravilla o similares).
- \bullet
- Aditivos con la capacidad de producir reacciones endotérmicas (sales hidratadas, hidróxidos).
- \bullet
- Aditivos que aumentan la capacidad de almacenamiento de agua (silica gel, vermiculita, perlita, arlita, geles super-absorbentes de agua).
- \bullet
- Aditivos con la capacidad de producir poros en el material (polvo de aluminio, agua oxigenada).
- \bullet
- Aditivos que mejoran la resistencia mecánica (fibras orgánicas o inorgánicas).
- \bullet
- Aditivos que alteran la presentación de los productos finales (colorantes).
- \bullet
- Aditivos que alteran el tiempo de fraguado del material (cloruro sódico, aditivos fluidificantes, aditivos plastificantes).
El contenido de los aditivos o de sus mezclas no
supera, en base seca, el 50% en peso de los constituyentes del
producto final.
El proceso de elaboración consiste bien en la
mezcla de los constituyentes (residuo y aditivos) sin aglomerar o
bien en la obtención de una pasta homogénea añadiendo la proporción
de agua requerida a la mezcla de residuo y aditivo, en función de
las propiedades de los materiales residuales y de la aplicación que
se desee obtener del producto final.
Adicionalmente, las mezclas de los
constituyentes sin aglomerar o las mezclas amasadas, pueden ser
sometidas, durante o tras el periodo de fraguado, a una serie de
operaciones que ayudan a mejorar alguna de sus propiedades aislantes
o mecánicas, como:
- -
- El tratamiento térmico del material sin aglomerar o de las piezas obtenidas. Dicho tratamiento consiste en rampas de calentamiento, con distintas velocidades de calentamiento, y mesetas isotérmicas de distinta duración, entre la temperatura ambiente y 1800ºC.
- -
- La utilización de consolidantes. La consolidación consiste en la inmersión o baño de la pieza ya fraguada en una solución que se introduce en los poros de las piezas, creando una malla que mejora las propiedades mecánicas (resistencia a compresión, flexión e impacto, rigidez de los productos, dureza) y las propiedades físicas (densidad, capacidad de almacenamiento de agua). Este tratamiento puede hacerse igualmente mediante brochas de cerdas o mediante un rociado a baja presión (máximo de 0,5 bar).
El procedimiento de esta invención permite que
las pastas elaboradas por mezcla de los constituyentes se utilicen
en distintas formas de conformado o moldeado, o mediante proyección
por vía seca o húmeda (gunitado) de las pastas sobre los elementos
que se van aislar.
Los materiales sin aglomerar o las pastas se
preparan combinando los residuos, aditivos y agua en diferentes
mezclas y proporciones, según las características y propiedades
aislantes y mecánicas de resistencia al fuego, conductividad
térmica, densidad, capacidad calorífica, capacidad de almacenamiento
de agua, coeficiente de absorción acústico, resistencia a
compresión, flexión e impacto, rigidez de los productos, dureza y
color que se desean obtener.
Para la fabricación del material ejemplo de
realización práctica, se toman 1300 g de residuo procedente de la
combustión de la biomasa residual presente en el residuo de
extracción de aceite de oliva (orujillo), 18,8 g de residuo
procedente de la combustión de la biomasa residual presente en la
cascarilla de arroz, 546 g de yeso y 18 gramos de fibra de vidrio,
lo cual lleva a una composición como la mostrada en la Tabla 1.
Estos constituyentes se colocan en una amasadora
planetaria, y se mezclan durante cinco minutos con una velocidad
media de 140 rpm hasta conseguir una mezcla homogénea, de forma que
se obtienen 1883,6 g de pasta.
Se toman 750 mL de agua; siendo ésta la relación
agua/sólido que optimiza las propiedades aislantes y mecánicas para
esta composición, y se añaden a la mezcla de constituyentes antes
descrita, amasándose en la amasadora planetaria durante diez
minutos a velocidad media de 140 rpm hasta su homogeneización.
Una vez mezclados, se rellena un molde con la
pasta hidratada antes de que comience su fraguado. En este ejemplo
de realización práctica, se ha fabricado una placa de 2 cm de
espesor, 27,5 cm de altura y 18 cm de ancho. Una vez relleno el
molde, se deja fraguar a temperatura ambiente, siendo desmoldada a
las 24 horas. La pieza desmoldada obtenida se deja que finalice su
curado a temperatura ambiente durante un periodo superior a 28
días.
Finalizado el periodo de curado del material, se
realiza sobre la placa obtenida un tratamiento de consolidación.
Este proceso consiste en impregnar la placa, por inmersión, en una
solución compuesta por ésteres etílicos del ácido silícico
disueltos en aguarrás mineral, a una temperatura entre 10ºC y 25ºC,
hasta que se produce el rechazo del producto consolidante. En este
ejemplo, la placa permanece durante 34 minutos inmersa en el baño,
y fuera del baño se deja completar la reacción de consolidación
durante aproximadamente cuatro semanas a una temperatura de 20ºC y
una humedad relativa entre el 40 y el 50%.
Finalizado el periodo de consolidación, se
somete la placa obtenida a una exposición de temperatura que
reproduce significativamente la temperatura del ensayo de
resistencia al fuego según norma UNE-EN
1363-1, como se muestra en el gráfico que se
adjunta. Para ello, se ha sometido la placa al programa térmico que
aparece en dicha norma, y se ha registrado la temperatura tanto en
la cara expuesta como en la cara no expuesta de la placa. Para
analizar la capacidad aislante de la placa, se ha medido, de
acuerdo con los criterios de la norma citada anteriormente, el
tiempo que tarda en alcanzar la cara no expuesta la temperatura de
180ºC. Los resultados obtenidos durante la realización del ensayo
muestran que el tiempo en alcanzar la cara no expuesta de la placa
una temperatura de 180ºC es de 33 minutos y 45 segundos. Este
tiempo es un 25% superior al registrado en el mismo ensayo con
placas de las mismas dimensiones, cuyo constituyente mayoritario
son cenizas volantes de la combustión del carbón, o con placas
resistentes al fuego a base de silicato cálcico, actualmente en el
mercado.
Además, durante la realización del ensayo no se
ha observado la emisión de gases, y la placa ha mantenido la
estabilidad mecánica antes, durante y después del ensayo.
Claims (5)
1. Obtención de materiales aislantes a partir de
residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa
caracterizado porque más del 50% en peso y base seca del
producto final está constituido por cenizas, escorias o mezclas de
las anteriores, procedentes de los residuos de procesos de
combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento
térmico que utilizan biomasa o mezclas de biomasa y combustibles
fósiles.
2. Obtención de materiales aislantes a partir de
residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según
reivindicación 1, caracterizado porque las cenizas, escorias
o mezclas de las anteriores empleadas son pretratadas mediante
separación, molienda, tratamiento térmico y ataque con ácidos o
bases, para la eliminación de los componentes de los residuos
indeseados.
3. Obtención de materiales aislantes a partir de
residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
material se somete a un tratamiento térmico que consta de rampas de
calentamiento y mesetas isotérmicas con distintas velocidades de
calentamiento y duración, desde la temperatura ambiente hasta
1800ºC, mejorando las características y propiedades aislantes y
mecánicas del producto final.
4. Obtención de materiales aislantes a partir de
residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
material se somete a un tratamiento de consolidación, mejorando las
características y propiedades aislantes, mecánicas y físicas del
producto final.
5. Utilización del material aislante obtenido
según reivindicaciones anteriores, para su uso en elementos
destinados a la protección pasiva contra el fuego.
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2005
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| LEIVA C. Influence of the type of ash on the insulating capacity of fly ash mortars used for passive protection against fire, 2003. International Ash Utilization Symposium, Paper \#58, [en línea, accesible el 08.04.2004] [recuperado el 18.07.2005]. Recuperado de Internet: <URL:http://www.flyash.into> * |
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