Cimento, cal e pozolana

O uso de combustíveis com alto conteúdo de enxofre, em especial o coque de petróleo de alto enxofre, são opção para redução de custo comparado ao carvão mineral, óleos e mesmo em relação à coque de petróleo de baixo enxofre.

Altos índices de enxofre no combustível é correlacionado à maior recirculação de finos. Essa quantidade de pó, em geral, compromete a estabilidade do forno e consequentemente o tamanho e formato dos cristais de Clínquer.

A geometria otimizada da cabeça de queima e os parâmetros operacionais de projeto relativos ao ar primário, principalmente fluxos, pressões e velocidade de injeções do queimador D-Flame, compensam os efeitos negativos do enxofre no forno. É o que foi provado pelo caso da instalação do D-Flame no forno W8 da planta Votorantim Cimentos da cidade de Rio Branco do Sul/PR – Brasil. Onde mesmo operando com coque de petróleo de alto enxofre (5 a 6% de enxofre), o forno se estabilizou mais rápido que o usual, além de gerar cristais de clínquer 14% menor em comparação com os resultados do forno com o queimador anterior.

São diversas as fontes de calor residual presentes em plantas de cimento, cal e pozolana. Dentre elas, estão gases de escape, ar e líquidos quentes provenientes de resfriadores e gases residuais do forno. Esse calor residual pode ser utilizado para a geração de energia elétrica, por meio de um sistema de Waste Heat Recovery, que reaproveita essa energia térmica para gerar o vapor que movimenta as turbinas, em um processo chamado de cogeração.

A Dynamis já realizou diversos estudos na área de recuperação de energia térmica residual de fornos de cimento para a geração de eletricidade. Para avaliar a viabilidade técnico-econômica do projeto, são levantadas algumas alternativas de cogeração. A competitividade entre elas é analisada por meio de comparação entre os orçamentos e custos de montagem a nível local. Por fim, os resultados dessa análise elaborada geram as recomendações a serem apresentadas ao cliente. A Dynamis também pode avaliar outros aspectos que impactam o projeto, tais como segurança, questões ambientais e integração elétrica da unidade de cogeração com a operação diária da planta.

A geometria otimizada da cabeça de queima do D-Flame e os parâmetros operacionais de projeto relativos ao ar primário, principalmente fluxos, pressões e velocidade de injeções, melhoram significativamente a mistura do ar secundário com o combustível, resultando em uma chama mais estável.

O caso de sucesso da instalação do D-Flame no forno W8 da planta Votorantim Cimentos da cidade de Rio Branco do Sul/PR, no Brasil, provou o impacto da melhoria da mistura do combustível com o ar secundário na qualidade do clínquer. O forno com o novo queimador D-Flame passou a produzir um clínquer com cristais C3S 14% menores (de 23,35 µm para 20,33 µm). Como resultado direto, obteve-se uma redução do consumo específico de energia elétrica do moinho de mesma ordem.

O alto custo de energia elétrica pode estar relacionado a uma ineficiência dos equipamentos em não operar no seu maior potencial energético, o que prejudica a produtividade.

Por meio de um estudo detalhado da eficiência energética, é possível reduzir o consumo de energia elétrica. Esse estudo visa identificar as condições de operação que prejudicam a eficiência do sistema. A equipe da Dynamis utiliza a sua vasta experiência na área térmica, de energia e fluídos para identificar processos que podem ser otimizados e propor alternativas para um aumento na eficiência energética do forno, que atendam às necessidades do cliente, respeitando as limitações de operação do sistema.

Em muitos países, a pozolana pode substituir o clínquer na composição do cimento em taxas de mais de 50% de materiais, naturais e/ou industriais. Os cimentos pozolânicos oferecem vantagens em relação à resistência final e à corrosão, além de reduzirem drasticamente as emissões de CO₂. Em geral, possuem um consumo específico de energia menor em relação ao clínquer, tanto consumo térmico (cerca de 25% menor que o clínquer) como elétrico (cerca de 15% menor que o clínquer).

A Dynamis tem desenvolvido diversos projetos relacionados à pozolana. Dentre eles, está o de uma planta localizada na Colômbia. Neste caso, a Dynamis desenvolveu um processo de secagem, ativação (produção de pozolana industrial) e mudança de cor da argila de vermelho para cinza, podendo assim, quando misturada, manter a cor característica do cimento.

Nesse projeto, a Dynamis desenvolveu toda a engenharia, possibilitando o reaproveitamento do antigo forno de produção de clínquer desativado e de outros equipamentos usados de duas diferentes fábricas de clínquer do cliente. Otimizou também a integração desses equipamentos, reduzindo significativamente o custo e o prazo de implementação do projeto.

O processo de produção da pozolana da Dynamis, com mudança de cor ou não, passa por uma secagem utilizando o D-FDryer e o D-HotGas. Em um forno rotativo, é feita também uma calcinação em atmosfera controlada. Para isso, utiliza-se o D-Gasifier como queimador principal do forno, que é a chave para o processo. Trata-se de um processo produtivo inovador no qual foram empregados muita pesquisa e desenvolvimento, para definições como a mescla ideal de argila de diferentes pontos da mina, parâmetros de processo, blaine ideal da pozolana, entre outras varáveis de processo e produto. Para comprovação dos resultados, o desenvolvimento contou ainda com o IPT (Institutos de Pesquisas Tecnológicas) que foi contratado para comprovar as análises de caracterização da argila e realizar ensaios para confirmação de resultados práticos de características do cimento com o uso da pozolana modificada.

Um dos grandes problemas das indústrias são as emissões de Óxidos de Nitrogênio (NOx), controladas por órgãos ambientais. Estes gases se formam devido às altas temperaturas dos processos térmicos e muitas empresas não conseguem controlar suas emissões. Desta forma, são obrigadas a injetar gases para abatimento do NOx, impactando significativamente os seus custos operacionais.

A Dynamis oferece uma solução customizada e completa, visando a redução das emissões de NOx. Consequentemente, impacta na redução de custo com abatimento do mesmo. Essa solução se inicia com uma coleta de dados na planta do cliente e uma simulação da condição operacional atual. Após a simulação, é realizado um estudo de engenharia envolvendo métodos e ferramentas para avaliação de fornos. Nesse estudo, são empregadas simulações fluidodinâmicas na aplicação de modelos complexos para simular a cinética química e a turbulência nos processos de combustão industrial. Assim, é possível definir quais dispositivos e processos terão mais efeito na diminuição da emissão dos óxidos de nitrogênio. Como resultado desse estudo, a Dynamis consegue prever com razoável precisão qual a possível redução das emissões de NOx após a implementação das medidas recomendadas pelo estudo.

Dentre os casos de sucesso, está o de uma linha de produção de clínquer no Egito. Após o estudo de engenharia, foram modificados a posição e alguns parâmetros de injeção de combustível. Junto à utilização dos queimadores D-CBurners, foi possível garantir uma melhor mistura dos gases com o combustível. Inicialmente, foi estimada uma redução de 25% dos níveis de NOx.

Devido ao rápido retorno sobre o investimento das modificações propostas, a Dynamis foi contratada para implementação do projeto e fornecimento dos D-CBurners. Após o comissionamento dos queimadores foi registrada uma redução de 26% nas emissões de NOx na chaminé do forno. Para saber mais sobre esse caso, acesso o artigo publicado a seguir.

A operação de fornos de cimento requer ar de combustão acima do estequiométrico, porém ar em excesso por si só não garante uma baixa emissão de CO. Altas taxas de emissão desse poluente resultam de uma combustão incompleta provocada pela mistura insuficiente de ar secundário com o combustível. A geometria otimizada da cabeça de queima do D-Flame e os parâmetros operacionais de projeto relativos ao ar primário, principalmente fluxos, pressões e velocidade de injeções, melhoram significativamente a mistura do ar secundário com o combustível, resultando em uma boa combustão, com baixas emissões de CO.

A combustão incompleta pode ocorrer em queimadores operados com resíduos sólidos, quando parte do resíduo injetado cai no forno sem sofrer combustão. Em casos como esse, a tecnologia Dynamis possibilita uma injeção de resíduos sólidos mais horizontal, de tal maneira que o resíduo permaneça mais tempo em contato com a chama, aumentando a sua combustão. A Dynamis já desenvolveu diversos casos de sucesso de otimização da injeção de resíduo sólido, que permitiram uma melhor combustão, e, consequentemente, menor geração de CO. Como resultado direto, é possível inclusive aumentar o consumo de resíduo sólido, que muitas vezes é limitado pela alta taxa de emissão de CO.

A reação mais predominante no processo de clinquerização é a calcinação, de tal maneira que aproximadamente 35% em massa do feed do forno se torna CO₂. Por essa razão, a solução mais eficiente para reduzir as emissões desse poluente na produção de cimento é a substituição do clínquer por outros materiais, tais como pozolana, fly ash ou escória de siderurgia, que pode chegar a até 70% de substituição. Escória e fly ash são subprodutos de outros processos, portanto possuem um baixo valor agregado e, assim como a pozolana, podem contribuir para a redução do custo do cimento produzido.

Em muitos países, a pozolana pode substituir o clínquer na composição do cimento em taxas de mais de 50% de materiais, naturais e/ou industriais. Os cimentos pozolânicos oferecem vantagens em relação à resistência final e à corrosão, além da redução drástica nas emissões de CO₂.

A Dynamis tem desenvolvido diversos projetos relacionados à pozolana. Dentre eles, está o de uma planta localizada na Colômbia. Neste caso, a Dynamis desenvolveu um processo de secagem, ativação (produção de pozolana industrial) e mudança de cor da argila de vermelho para cinza, podendo assim, quando misturada, manter a cor característica do cimento.

A geometria otimizada da cabeça de queima do D-Flame e os parâmetros operacionais de projeto relativos ao ar primário, principalmente fluxos, pressões e velocidade de injeções, melhoram significativamente a mistura do ar secundário com o combustível, resultando em uma chama mais estável.

O caso de sucesso da instalação do D-Flame no forno W8 da planta Votorantim Cimentos da cidade de Rio Branco do Sul/PR, no Brasil, provou o impacto da melhoria da mistura do combustível com o ar secundário na qualidade do clínquer. O forno com o novo queimador D-Flame passou a produzir um clínquer com cristais C3S 14% menores (de 23,35 µm para 20,33 µm). Como resultado direto, obteve-se uma redução do consumo específico de energia elétrica do moinho de mesma ordem.

Etapas que provocam um aumento de vazão sem consequentemente melhorar a produtividade podem ser identificadas como gargalo na produção. E, no setor de cimento, cal e pozolana, o fator limitante para produção, na maioria das vezes, está relacionado à operação do exaustor. Um exemplo desse caso é a entrada de ar falso no forno ou na câmara de combustão. O excesso de ar não desejado aumenta a vazão de ar movido pelo exaustor, porém não promove um aumento na produção de clínquer. A temperatura do ar transportado também tem influência na eficiência do exaustor. Como o exaustor opera para um determinado volume, a massa dos gases transportados a altas temperaturas é menor, portanto provocar um resfriamento dos gases ao final do forno é uma medida viável para o aumento da vazão mássica de ar. Independente de qual seja o caso, a Dynamis realiza um estudo detalhado sobre as condições de operação da planta para identificar os possíveis empecilhos para uma maior produtividade e, ao final, propõe soluções que favoreçam um aumento na eficiência do sistema.