Combustibles alternativos en hornos de cemento y nuevas exigencias para el refractario básico
Combustibles alternativos en hornos de cemento: impacto operativo
La industria cementera está adoptando cada vez más combustibles alternativos (biomasa, residuos industriales, neumáticos usados, etc.) para sustituir al carbón y otros fósiles en la producción de clinker. Este cambio responde a objetivos de reducción de emisiones de CO<sub>2</sub> y costos, y de economía circular (aprovechar energéticamente desechos que de otro modo irían a vertederos)[1][2]. En Europa, por ejemplo, en promedio ~60% del combustible en hornos cementeros ya es alternativo, y algunas plantas operan con casi un 100% de sustitución de combustible fósil[2]. Esto demuestra la viabilidad técnica de hornos “full AF” (Alternative Fuels), aunque globalmente el avance es desigual: mientras la UE alcanza ~52% de sustitución térmica en promedio (Japón >50%, Reino Unido ~45%), países como EE.UU. aún rondan solo 16%[3][4]. En cualquier caso, la tendencia es al alza y se espera que continúe conforme se intensifican los compromisos de descarbonización de las cementeras.
Desafíos Técnicos para los Refractarios con Combustibles Alternativos
El uso extensivo de combustibles alternativos conlleva desafíos operativos en el horno rotativo, especialmente para el revestimiento refractario que protege el interior. Una de las principales tendencias técnicas recientes es la optimización de los revestimientos refractarios para soportar condiciones de servicio más severas: mayores ciclos térmicos, atmósferas químicamente agresivas y campañas de operación continua más largas. Ya no se busca solo una alta resistencia inicial al calor, sino garantizar que el desempeño se mantenga estable a lo largo del tiempo, minimizando desgastes prematuros y reduciendo paradas no programadas por reparaciones[5]. Los fabricantes líderes han desarrollado líneas de productos refractarios específicos para hornos que co-procesan residuos – por ejemplo, el concepto AF/AR (“Alternative Fuels/Alternative Raw”) enfocado a resistir entornos con combustibles alternativos[5]. Además de la longevidad, hoy también se considera la eficiencia energética y ambiental del revestimiento: materiales que retengan mejor el calor (ahorrando combustible) y que reduzcan su propia huella de CO<sub>2</sub> durante todo el ciclo de vida[6][5]. En suma, el revestimiento refractario moderno debe equilibrar durabilidad y sostenibilidad, acompañando las metas de producción segura, eficiente y “verde” en el horno clinker.
Impacto de los Combustibles Alternativos en el Clinker y el Refractario
Desde el punto de vista de la calidad del clinker, diversos estudios han encontrado que sustituir parte del combustible tradicional por residuos no tiene por qué degradar las propiedades del clinker si el proceso está bien controlado. Por ejemplo, en pruebas de laboratorio usando hasta 30% de combustible alternativo, no se observaron cambios significativos en la composición mineral ni en la resistencia del clinker obtenido; únicamente se detectó una mayor cristalinidad en las fases principales del clinker, efecto atribuible a la química de las cenizas añadidas[7]. Así mismo, gracias a las altas temperaturas del horno (>1400 °C) y al tiempo de residencia, la combustión de residuos es prácticamente completa en cuanto a compuestos orgánicos. Los componentes inorgánicos (óxidos, cloruros, metales pesados) que contienen los desechos tienden a incorporarse en las fases minerales del clínker o a quedar atrapados en la fase vítrea del mismo, inmovilizando contaminantes potenciales[8]. De ese modo, el clinker actúa como sumidero para elementos indeseados, permitiendo que la calidad del cemento resultante se mantenga dentro de estándares y evitando impactos ambientales adicionales[8]. En resumen, el coprocesamiento de residuos no afecta la calidad del clinker de manera adversa en las condiciones apropiadas, e incluso aporta un beneficio de estabilización de ciertos residuos peligrosos dentro de la matriz cementante.
Donde sí se observan efectos críticos es en el revestimiento refractario del horno. La introducción de combustibles alternativos altera la atmósfera interna y las condiciones térmicas del proceso, lo que puede acelerar el desgaste de los ladrillos refractarios (especialmente los básicos de la zona de sinterización). En particular, la quema de residuos suele:
- Bajar la temperatura de llama y cambiar su patrón: Los combustibles alternos a menudo tienen menor poder calorífico y generan llamas más largas o frías, lo que puede enfriar ligeramente la zona de sinterización y crear perfiles térmicos más irregulares[9]. También pueden introducir periodos de combustión inestable (p. ej., si hay variaciones en la alimentación de residuos), provocando choques térmicos más frecuentes en el refractario durante arranques, paros o fluctuaciones de calor[10]. Estos ciclos de calentamiento/enfriamiento repetidos fatigan el material refractario y pueden causar fisuración por shock térmico y desprendimientos de piezas (spalling).
- Generar atmósferas agresivas químicamente: A diferencia del carbón puro, muchos residuos contienen compuestos volátiles como álcalis (Na<sub>2</sub>O, K<sub>2</sub>O), cloruros y sulfuros. Al quemarse, liberan altas concentraciones de estos vapores que penetran en los poros del refractario y reaccionan con sus componentes[9]. En hornos con >50% de sustitución se ha vuelto común encontrar infiltración de sales en el revestimiento: por ejemplo, análisis de ladrillos de magnesia-espinela usados muestran depósito de cristales de KCl (cloruro de potasio) fundido impregnando la matriz del ladrillo[11]. Estas sales alcalinas reaccionan con el material básico (MgO, etc.), formando compuestos deleterios (como cloru-aluminatos potásicos) que rompen la estructura refractaria desde el interior. Estudios recientes indican que más del 60% de los casos de desgaste prematuro en hornos con residuos se asocian precisamente a infiltración de sales alcalinas, ya sea como mecanismo único o combinado con otros ataques[12]. Este tipo de corrosión química se ha convertido en el factor dominante de falla refractaria en muchos hornos de cemento modernos.
- Impedir la formación de una costra protectora de clinker: En condiciones tradicionales, las zonas calientes del horno desarrollan una coating o costra de clinker adherida al refractario, la cual actúa como escudo frente al calor directo y la erosión. Sin embargo, la presencia elevada de cloruros (como KCl, NaCl, etc.) dificulta que el clinker se adhiera al ladrillo[13]. Los compuestos de cloro en la superficie crean una capa de baja adherencia, provocando que la costra se desprenda o no se forme adecuadamente. Al quedar el ladrillo desnudo y expuesto, su tasa de desgaste aumenta significativamente[13]. Este efecto se agrava en la zona de sinterización (muy caliente) donde más se necesita la costra: la corrosión penetra entonces sin barrera, acortando la vida útil del revestimiento.
- Provocar atmósferas reductoras localizadas: Ciertos residuos (por ejemplo, plásticos, solventes) pueden generar picos de monóxido de carbono (CO) si la combustión no es perfectamente homogénea. Esto crea bolsas de atmósfera reductora dentro del horno, aun cuando globalmente se opere con exceso de aire. Tales condiciones reductoras puntuales son muy dañinas para refractarios básicos con contenido de hierro o cromo, ya que reducen estos óxidos dentro del ladrillo y debilitan su estructura[14]. Además, un ambiente reductor puede facilitar la formación de compuestos como cromatos alcalinos si hay ladrillos de magnesia-cromo, lo que genera tensiones y microfracturas en el refractario[15]. En general, la coexistencia de zonas
oxidantes y reductoras cíclicas somete al material a estrés químico repetitivo.
- Aumento de la abrasión y erosión mecánica: Los combustibles alternativos también pueden introducir más polvos y partículas no combustibles (ej. cenizas volantes, fragmentos no quemados) en los gases del horno. Si la costra de protección es irregular o inexistente, este flujo de partículas abrasivas incide directamente sobre el refractario, erosionándolo por fricción. Asimismo, la falta de costra en zonas de transición significa que el clinker líquido en rotación roza el ladrillo sin barrera, desgastándolo físicamente. El resultado combinado es un desgaste mecánico acelerado sumado al químico.
En conjunto, todos estos factores explican por qué los hornos que utilizan altos porcentajes de combustible alternativo tienden a experimentar mayor desgaste del revestimiento que los hornos convencionales, a menos que se adapten los materiales y la operación. Por ejemplo, al pasar de 100% combustible fósil a mezclas de ~50% residuos, se ha observado que la vida útil de los ladrillos en ciertas zonas críticas del horno (transiciones, zonas sin costra estable) se reduce drásticamente[16]. Plantas que tradicionalmente lograban, digamos, 12 meses de campaña refractaria completa, al incorporar altos niveles de AF han visto disminuciones importantes en esos intervalos si no actualizan la calidad del refractario. En particular, un estudio reporta que con 50% de combustibles alternos la situación de coating se vuelve “compleja e inestable”, con llamas heterogéneas, y la vida del revestimiento cae notablemente – especialmente en la zona de transición – debido a infiltraciones masivas de sal, sobrecalentamientos locales y condiciones reductoras locales combinadas[16]. Es por ello que la industria refractaria ha tenido que innovar en nuevos materiales y diseños para contrarrestar estos mecanismos de deterioro bajo combustibles alternativos.
Soluciones Refractarias: Nuevos Materiales y Alianzas Estratégicas
Para enfrentar los retos anteriores, los fabricantes de refractarios básicos han desarrollado materiales avanzados específicamente formulados para hornos que co-incineran residuos. Algunas estrategias incluyen: usar ladrillos de magnesia-espinela de última generación (que ofrecen mejor resistencia a sales vs. los antiguos magnesia-cromo), incorporar aditivos antioxidantes y anti-infiltrantes en la matriz del ladrillo, mejorar la porosidad controlada para limitar la penetración de químicos, y optimizar la expansión térmica para mitigar choques. También se han introducido monolíticos especiales (refractarios sin forma) en ciertas zonas, con formulaciones de alto alúmina y baja cementación hidráulica, que resisten mejor el ataque químico y se reparan con mayor facilidad in-situ.
Un enfoque clave es el diseño integral de revestimiento: combinar distintos tipos de refractario en cada zona del horno según las solicitaciones locales. Por ejemplo, proveedores como Refratechnik proponen conceptos de lining donde conviven ladrillos ES (Emission Saving) en partes altas que minimizan la pérdida de calor, y ladrillos AR (Alternative-Resistant) en la zona de quemador y transiciones, especialmente formulados contra atmósferas con basura[5]. Estas soluciones apuntan no solo a extender la vida del revestimiento pese a los combustibles agresivos, sino a reducir el consumo energético del horno y las emisiones asociadas al propio refractario a lo largo de su servicio[6][5].
En este contexto, REMAPRIL – con más de 30 años de experiencia representando a fabricantes de refractarios – ha fortalecido recientemente su portafolio de soluciones. Desde 2024, REMAPRIL estableció una alianza estratégica con la empresa europea ZM Ropczyce S.A. (Polonia)[17], reconocida mundialmente por sus refractarios básicos de altísima calidad para la industria del cemento. ZM Ropczyce se destaca por desarrollar materiales de última generación, capaces de mantener rendimiento incluso en hornos con hasta 100% de combustibles alternativos. De hecho, varias plantas cementeras en Europa que operan hoy casi exclusivamente con combustibles alternos (≥90% sustitución) han logrado campañas exitosas apoyadas en estos refractarios avanzados[2]. La alianza REMAPRIL–Ropczyce permite ofrecer a las cementeras de Latinoamérica acceso a estas tecnologías de vanguardia en refractarios básicos, probadas ya en las condiciones más exigentes de hornos a nivel internacional. Así, los clientes de la región pueden adoptar combustibles alternativos con la confianza de contar con un respaldo técnico sólido en sus revestimientos, alineándose con la tendencia global hacia procesos más sostenibles sin comprometer la eficiencia operativa ni la disponibilidad de sus hornos.
En resumen, el uso de combustibles alternativos en producción de clinker es una realidad en crecimiento y un pilar de la estrategia de descarbonización de la industria cementera. No obstante, plantea desafíos significativos para la integridad de los refractarios, que han motivado innovaciones materiales y mejoras en diseño de revestimientos. La estabilidad a largo plazo del horno – en términos de seguridad, duración del refractario y continuidad de producción – depende de adoptar soluciones refractarias adecuadas a estas nuevas condiciones. Gracias a la colaboración entre productores de refractarios líderes (como Ropczyce) y expertos locales como REMAPRIL, hoy es posible enfrentar con éxito estos desafíos, maximizando la vida útil de los revestimientos incluso en hornos alimentados con altos porcentajes de residuos, y asegurando que la producción de clinker se mantenga eficiente, confiable y en armonía con los objetivos ambientales actuales.
Referencias Bibliográficas:
- Global Cement Magazine – “Burning alternative fuels in cement kilns” (ZKG International). Estudio sobre el impacto de combustibles alternativos en la formación de costras y desgaste de refractarios[16][12].
- Vádász et al. “Influence of alternative fuels on the corrosion of basic refractory lining”. Interceram 58(2), 130-135 (2009). Investigó ladrillos de magnesia-espinela usados en hornos con residuos, encontrando infiltración de KCl y corrosión acelerada[18][13].
- A. Trezza et al. “Estudio comparativo de clinkers producidos con diferentes reemplazos de combustibles residuales”. Materials Research 6(2), 295-303 (2003). Concluye que hasta 30% de combustible alternativo no altera significativamente las propiedades del clinker obtenido[7] y confirma la captura de metales pesados en la fase vitrificada[8].
- Refratechnik Cement – Boletín técnico “Productos refractarios y sistemas de nueva generación” (Jul 2023). Presenta el concepto de revestimientos ES/AR para hornos con altos sustitutos de combustible[5].
- Reuters – “Cement: Building a green path…” (Jun 2025)[2]. Cita que en Europa ~60% del combustible es alternativo y algunas plantas alcanzan casi 100%.
- Cement Optimized (USA) – “Alternative Fuels: Where Next?” (Feb 2025)[3][4]. Reporta promedios de sustitución: Europa 52%, Japón >50%, EE.UU. 16% (2023), destacando viabilidad técnica de 100% AF en plantas europeas.
- Publicación de REMAPRIL (LinkedIn, 2024) anunciando la alianza con ZM Ropczyce[17]. Se refiere a la capacidad de ofrecer refractarios europeos de alta calidad a la industria cementera LATAM.
[1] Decarbonizing operations with alternative fuels | Holcim
https://www.holcim.com/who-we-are/our-stories/decarbonizing-holcim-alternative-fuels
[2] Cement: Building a green path in a hard industry | Reuters
[3] [4] Alternative Fuels: Where Next? – Cement Optimized
https://cementproducts.com/2025/02/10/alternative-fuels-where-next/
[7] [8] (PDF) Estudio comparativo de clinkers producidos con diferentes reemplazos de combustibles residuales
[9] [11] [13] [18] (PDF) Influence of alternative fuels on the corrosion of basic refractory lining
[10] [12] [14] [15] [16] Wear of refractories, particularly when using waste fuels and their influence on the brick life – INFINITY FOR CEMENT EQUIPMENT
[17] Celebremos juntos este nuevo logro..! | Remapril