aula cimento iem

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FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND E CO-PROCESSAMENTO DE RESÍDUOS INDUSTRIAIS NOS FORNOS DE PRODUÇÃO DE CIMENTO

Vista Geral da Jazida - Holcim (Brasil) S.A. - Unidade Fabril de Cantagalo-RJReservas estimadas: 35,33 M de ton de calcário (45 anos de lavra)

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Composição característica do minério

3

Desenho esquemático em perspectiva da unidade fabril

4

Composição usual das matérias-primase da farinha para o cimento

Constituinte Calcário Argila Farinha

Percentagem em peso

SiO2 0,5 – 3 37 – 78 12 – 16

Al2O3 + TiO2 0,1 – 1 7 – 30 2 – 5

Fe2O3 + Mn2O3 0,1 – 0,5 2 – 15 Mais de 2

CaO 52 – 55 0,5 – 25 40 – 45

MgO 0,5 – 5 Mais de 5 0,3 – 3

SO3 Mais de 0,1 Mais de 3 Mais de 1,2

K2O Mais de 0,3 0,5 – 5 0,2 – 0,4

Na2O Mais de 0,1 0,1 – 0,3 Mais de 0,3

O Processo de Produção do Cimento Portland

5

Fluxograma simplificado do processo de produção do cimento

Calcário

Britador

Moinho de Cru

Argila

Depósito Pré-aquecedor

Depósito deCarvão

Homogeneização

Depósito de Clínquer

RODOVIÁRIO

Gesso/Calcário

Clínquer

EscóriaMoagem de Cimento

Separador

Silos de Cimento (Total 7 silos)

Ensacamento

Carregamento

Óleo

Carvão/Coque

CPII E 32Classe G

MoinhaResíduos

Resíduos

...

Moinho de Carvão

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Geração de material particulado ou pó

•Direcionado para as chaminés e retido por coletores (ciclones, filtros manga ou precipitadores eletrostáticos).

•Representa de 20 a 30% da produção ⇔ retorna ao forno como matéria-prima.

Energia no processo de fabricação do cimento•90%: energia térmica gerada pelo combustível (secagem, aquecimento e calcinação das matérias-primas).� 20 e 25% dos custos de produção do cimento.

•10%: energia elétrica (moagem das matérias-primas: 25% e do clínquer: 40%, e operações do forno e resfriador: 20%).� 50% dos custos.


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Resfriador de clínquer (tipo grelha) mínima perda de calor através

da carcaça do equipamento

Forno rotativo D = 4m, L= 60m

α = 3º

Pré-aquecedortorres de pré-aquecimento de

4 estágios, co-corrente

farinhagás

Equipamentos do

sistema forno


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Temperatura de 1.450 oC

Os materiais são submetidos a altas

temperaturas para favorecer reações

químicas necessárias para a formação

do clínquer.O clínquer é resfriado abruptamente para depois ser

misturado com gesso e outros materiais para ser moído, formando o cimento

As matérias-primas: calcário

argila e óxido de ferro são

alimentadas após uniformização

Temperatura de 2.000 oC


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Unidade fabril: em operação desde 1970Produção atual: 650.000 ton/ano de cimento

Capacidade nominal: 1.200.000 ton/ano


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Forno rotativo: D = 4m, L = 60m e αααα = 3º

Torres de pré-aquecimento de 4 estágios


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Resfriador de clínquer do tipo grelha


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Maçarico atual em operação no forno rotativo


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T > 1350oC

Recristalização e desenvolvimento dos cristais de

alita (C3S) e belita (C2S) na presença de fase líquida

700oC a 900oC

calcinação do carbonato de cálcio

C +A = C2(A,F) e C12A7

C + S = C2S (parcial)

conversão de quartzo ββββ em cristobalita

T< 700oC

desidroxilação dos argilominerais

transformação do quartzo αααα em quartzo ββββ

900oC a 1200oC

C + S = C2S (final)

C2(A,F) e C12A7 = C3A e C4AF

1250oC a 1350oC

fusão de C3A e C4AF

C2S + C = C3S


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Transformações de fases ao longo do forno rotativo

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Composição típica de um clínquer de cimento portland67% CaO (C), 22% SiO2 (S), 5% Al2O3 (A), 3% Fe2O3 (F) e 3% de outros óxidos

fases cristalinas anidras metaestáveis na temperatura ambientee estáveis ao serem hidratados

alita (C3S): 50 – 70%belita (C2S): 15 – 30%aluminato tricálcico (C3A): 5-10%ferroaluminato tetracálcico (C4AF): 5- 15%

outros compostos em menor quantidadeNa2O, MnO e K2O, magnésio, enxofre e fósforo elementos traços: Cr, Pb, Zn, V, Ni e outros, (provenientes das MP e combustíveis (estes normalmente portando os resíduos)


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Propriedades conferidas ao cimento

Alita: principal mineral que contribui para a resistência mecânica/ fase que reage mais rapidamente com a água

Belita: reage mais lentamente com a água porém, após períodos maiores (aproximadamente um ano), atinge a mesma resistência mecânica que a alita

C3A: reage muito rapidamente com a água, porém sem apresentar fortes propriedades hidráulicas. Em combinação com os silicatos, o mesmo eleva a resistência inicial do cimento.

C4AF: apresenta taxas inicialmente altas de reatividade com a água. Em idades mais avançadas: taxas baixas ou muito baixas ⇔⇔⇔⇔ contribui pouco para a resistência mecânica

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Composição típica da mistura de aditivospara obtenção do cimento CP II E 32

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Caracterização do Cimento

� Difração de Raios –XA técnica de difração de raios-X é utilizada para a identificação das fases constituintes do clínquer.

� Microscopia Ótica e Eletrônica de VarreduraObservação morfológica das amostras.

� Ensaio de LixiviaçãoO ensaio de lixiviação visa simular as condições de exposição do cimento ao meio ambiente.

� Ensaio de SolubilizaçãoO ensaio de solubilização visa complementar o ensaio de lixiviação (resíduo é inerte (Classe III) ou não).

� Ensaio de Resistência Mecânica à CompressãoA resistência à compressão é o controle de qualidade fundamental do produto. Limites mínimos de resistência à compressão exigidos para 3, 7 e 28 dias

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Espectro de difração de Raios-X para uma amostra de clínquer

20

Fotomicrografia de uma amostra de clínquer(Microscopia Ótica )

(200X)

21

�1

Fotomicrografia de uma amostra de clínquer(Microscopia Eletrônica de Varredura)

Detalhe partícula 1

(500X) (5000X)

EDS da região fotografada

22

Metal NBR 10004(mg/L)

Corrida 1(mg/L)

Corrida 2(mg/L)

Arsênio 5 nd nd

Bário 100 1,086 1,156

Cádmio 0,5 nd nd

Chumbo 5 0,147 0,179

Cromo total 5 0,199 0,236

Mercúrio 0,1 nd nd

Prata 5 nd nd

Selênio 1 nd nd

Ensaio de Lixiviação

23

Metal NBR 10004(mg/L)

Corrida 1(mg/L)

Corrida 2(mg/L)

Arsênio 0,05 nd nd

Bário 1,0 0,391 0,825

Cádmio 0,005 nd nd

Chumbo 0,05 0,001 0,043

Cromo total 0,05 nd nd

Mercúrio 0,001 nd nd

Prata 0,05 nd nd

Selênio 0,01 nd nd

Ensaio de Solubilização

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1992 - Branco

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

JAN

EIR

O

FE

VE

RE

IRO

MA

RÇ

O

AB

RIL

MA

IO

JUN

HO

JUL

HO

AG

OS

TO

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MB

RO

OU

TU

BR

O

NO

VE

MB

RO

DE

ZE

MB

RO

Res

istê

nci

a M

ecân

cia

(MP

a)

1 DIA 3 DIAS 7 DIAS 28 DIAS

Ensaio de Resistência Mecânica à CompressãoNBR 7215/ NBR 11578

25

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

JAN

EIR

O

FE

VE

RE

IRO

MA

RÇ

O

AB

RIL

MA

IO

JUN

HO

JUL

HO

AG

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TO

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TE

MB

RO

OU

TU

BR

O

NO

VE

MB

RO

DE

ZE

MB

RO

Re

sist

ênci

a M

ecâ

nci

a (M

Pa)

1 DIA 3 DIAS 7 DIAS 28 DIAS

Ensaio de Resistência Mecânica à CompressãoNBR 7215/ NBR 11578

2001 - Co-processado

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Tipos de cimento Portland Disponíveis no Mercado Brasileiro e Suas Aplicações

�Cimento Portland Comum (CP I)Um tipo de cimento portland sem quaisquer adições além do gesso (utilizado como retardador da pega). Com pequenas adições - CP I-S Aplicações: É usado em serviços de construção em geral, quando não são exigidas propriedades especiais do cimento.

�Cimento Portland Composto (CP II)O Cimento Portland Composto é modificado (com adições - CP II-Z, CP II-E e CP II-F ).Aplicações: Recomendado para obras correntes de engenharia civil sob a formade argamassa, concreto simples, armado e protendido, elementos pré-moldados e artefatos de cimento.

�Cimento Portland de Alto-Forno (CP III)Cimento com adições de escória de Alto-Forno. Aplicações: Em obras de concreto-massa, tais como barragens, peças de

grandes dimensões, fundações de máquinas, pilares, obras em ambientes agressivos, tubos e canaletas para condução de líquidos agressivos, esgotos e efluentes industriais, concretos com agregados reativos, pilares de pontes ou obras submersas, pavimentação de estradas e pistas de aeroportos.

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�Cimento Portland Pozolânico (CP IV) Um tipo de cimento portland com ad pozolânico. Aplicações: É especialmente indicado em obras expostas à ação de água corrente e ambientes agressivos.

�Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V-ARI)Com valores aproximados de resistência à compressão de 26 MPa a 1 dia de idade e de 53 MPa aos 28 dias. Alterações nas proporções das fases do clínquer.Aplicações: Em blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes, meio-fio, mourões, postes, elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados.

�Cimento Portland Resistente a Sulfatos (RS)Alterações nas proporções das fases do clínquer.Aplicações: Em ambientes submetidos ao ataque de meios agressivos, como estações de tratamento de água e esgotos, obras em regiões litorâneas, subterrâneas e marítimas.

Tipos de Cimento Portland Disponíveis no Mercado Brasileiro e Suas Aplicações

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Tipos de Cimento Portland Disponíveis no Mercado Brasileiro e Suas Aplicações

�Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC)É o cimento Portland de Alto-Forno com baixo calor de hidratação, determinado pela sua composição – fases do clínquer.Aplicações: Este tipo de cimento tem a propriedade de retardar o desprendimento de calor em peças de grande massa de concreto, evitando o aparecimento de fissuras de origem térmica, devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do cimento.

�Cimento Portland Branco (CPB).A cor branca é obtida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxido de ferro e manganês, em condições especiais durante a fabricação, tais como resfriamento e moagem do produto e, principalmente, utilizando o caulim no lugar da argila.Aplicações:Estrutural: Em concretos brancos para fins arquitetônicos.Não estrutural: Em rejuntamento de azulejos e em aplicações não estruturais.

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O Co-Processamento de Resíduos em Fornos Rotativos de Clínquer

Brasil: produção de 2,7 M ton/ano de resíduos

17%

78%

4%1%

Incineração

Utilizado como combustível

Aterros Sanitários

Sem destino conhecido

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O que é resíduo industrial ?

� Resíduo industrial é todo material resultante de um processo produtivo, cujo gerador rejeita, pretende rejeitar ou é solicitado a rejeitar. Segundo a ABNT, são classificados em três categorias :

� Classe I - Resíduos perigosos� Classe II - Residuos não perigosos e não inertes� Classe III - Residuos inertes

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A destinação dos resíduos

insumos processo produto

Fim de

vida

resíduo

qualidade Co-processamento

incineração

aterro

reciclagem

Bio-tratamento

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Reciclagem

� Quando viável, é a melhor destinação.

� Vários resíduos industriais dispõem de tecnologia e custo que permitam sua reciclagem, como as latas de alumínio, caixas de papelão, garrafas de vidro, produtos plásticos e outros.

� Cumpre notar que a reciclagem nunca será de 100%, pois fatores econômicos e sociais impedem que isso aconteça.

� Muitos resíduos não são economicamente recicláveis e portanto precisam de uma outra destinação final.

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Aterro

� Aterro é um local para disposição de resíduos sem caracterizar disposição final.

� Em alguns casos não oferece garantias necessárias para resíduos classe I e alguns resíduos classe II.

� Podem oferecer soluções muito baratas.

� Exemplos de boas práticas:

� VIVENDI (SASA)� Essencis (Caieras, CAVO)

� Exemplos de más práticas:

� Formiga ( MG )� CENTRES ( RJ )� Mantovani (SP )

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Biotratamento

� Trata-se do uso de microrganismos para recuperar áreas degradadas com produtos químicos orgânicos.

� São aplicáveis somente quando o grau de contaminação é pequeno, caso contrário o tempo necessário torna-se muito longo.

� Tratamento no local.

� Restrito a contaminantes orgânicos.

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Incineração

� O processo de incineração promove a queima dos resíduos num ambiente fechado, onde os fumos da queima passam por um sistema de lavagem de gases, que garante que nenhum subproduto da queima seja liberado para a atmosfera.

� As cinzas e os produtos usados na lavagem precisam ser destinados, uma vez que são resíduos deste processo.

Cinzas

Gases TratadosIncinerador

‘Água’ da

Lavagem

Alimentação de

Resíduos

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Co-processamento

� O co-processamento é a técnica de destruição térmica a altas temperaturas em fornos de clínquer devidamente licenciados para este fim, com aproveitamento de conteúdo energético e/ou aproveitamento da fração mineral como matéria-prima, sem a geração de novos resíduos.

37

O que pode ser co-processado ?

Exemplos:

� Substâncias oleosas� Catalisadores usados� Resinas, colas e látex� Pneus e emborrachados� Madeiras contaminadas� Solventes� Borrachas� Lodos de ETE� Terras contaminadas� Papel e outros

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O que não pode ser co-processado ?

Exemplos:

� Resíduos hospitalares não-tratados� Lixo doméstico não-classificado� Explosivos� Elementos radioativos� Pesticidas� Fossas orgânicas� Materiais com alto teor de metais pesados� Materiais com alto teor de Cloro � Materiais com baixo poder calorífico ou sem

contribuição na substituição de matérias-primas

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Como se prepara o material a ser co-processado ?

� Caracterização

� Análise prévia

� Contrato com o gerador do resíduo

� Licenciamento com o órgão ambiental

� Coleta e transporte licenciados

� Preparação prévia ( ‘blending’ )

� Co-processamento

� Emissão de Certificado de Destruição térmica (CDT)

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As vantagens do co-processamento

� Elimina vários resíduos de forma segura e definitiva.

� Não gera passivos ambientais

� Permite controle ‘on line’ das emissões

� Poupa recursos naturais não-renováveis

� Óleo combustível, coque de petróleo� Matérias-primas minerais

� Induz as fábricas de cimento a uma produção mais segura, devido aos investimentos para o licenciamento

� Aumenta recolhimento de ISS no município

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Estação de Tratamento de Resíduos

AFR ou Matéria-Prima e Combustível Alternativo

com especificação conhecida de poder calorífico e

máximo de contaminantes, garantida por análise de laboratório

Análises de laboratório de cada resíduo para

assegurar que nada possa afetar o cimento ou

aumentar as emissões

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Pontos de entrada de resíduos na planta

Moinho de Cru

Pré-Aquecedor

Depósito deMix

Combustíveis

Homogeneização

Carvão/Coque

Dep. Lodo

Moinho de Carvão

Dep. Trapo

matériamatéria prima primaalternativaalternativa

12001200 ton/mêston/mêsresíduosresíduos sólidossólidos

650 ton/mês

líquidoslíquidos baixa baixaviscosidadeviscosidade700 700 ton/mêston/mês

lodoslodos

800 ton/mês800 ton/mês

trapostrapos


Óleo Combustível

líquidoslíquidosviscososviscosos


Matéria - Prima

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