VariÆveis operacionais que afetam o consumo de combustíveis no forno3e cal Parte 1

MFN 0720

N CHAMADA

TITULO VariÆveis operacionais que afetam o consumo decombustíveis no forno de cal Parte 1

AUTORES LIMA AFPARK SWYOJO LMEDICAO

IDIOMA portuguŒsASSUNTO

TIPO Congresso

EVENTO

PROMOTOR

CIDADE

DATA

IMPRENTA

PAGVOLUMEFONTE

p865876AUTOR ENTIDADE

DESCRITOR

Congresso Anual da ABCPABTCP

Sªo Paulo

2126111983

Sao Paulo 1983 ABTCPp865876 v3Congresso Anual da ABCP

16

16 1983 Sªo Paulo v3

RESUMO

tjií

VARI`VEIS OPERACIONALS QUE AFETAM 0CONSUMO DE COMBUST˝VEIS NO FORNO DE CAL PARTE I

Lima AFPark S W e Yojo LMCentro 9Øcnico em Celulose e Papel IPT Sªo Paulo Brasil

ABTICReg 6

kesumo

Neste trabalho foi levantada a influØncia de algumas aríÆoperacionais do forno de cal sobre certas caracteristícas de pruessoproduto com vistas a verificar quais as variÆveis que devem ser monitoradas mais rigidamente para aumentar a eficiØncia operacional quais as variªveis que oferecem oportunidades para melhorias no custo operacional doforno e alternativas operacionais e de combustiveis

As variªveis operacionais estudadas foram umidade da lama rEgime de alimentaçªo ar para combustªo velocidade de rotaçªo teor dEinertes espessura de revestimento refratªrio e combustiveis alteraativos Determinouse a influØncia da variaçªo destes parªmetros sobre asseguintes características de processo e produto magnitude das zonas de

secagem de aquecimento e de calcinaçªo perfil de temperatura e da curposiçªo de ases e de sólidos ao longo do forno composiçªo do produto edos gases de exaustªo balanço tØrmico global e índice de desempenho doforno

1 Introduçªo

Os fornos de cal sªo grandes consumidores de ıleo combustívelnas fªbricas de celulose particularmente naquelas que jª operam com caldefiras ª lenha pois chegam a requerer cerca de 707 do ıleo empregado nafªbrica

AtØ certo tempo o modo de operar e o consumo do forno de caleram ignorados devido ao seu peyueno impacto na eficiØncia energØtica dafÆbrica de celulose Esta pos içâo vem se alterando face as restrïrroesda disponibilidade de óleo combustível e ao seu preço crescente o quaeleva o custo operacional dos fornos conforme ressaltado em mesa redonda sobre Uso de combustiveis Alternativos em Fornos de Cal 1 Deeemodo uualquer melhoria no seu desempenho pode resultar em economia suotancial para a fªbrica

Trabaiho apresentado no III Congresso LatinoAmericano de Celulose e Ya

pel realizado em Sªo Paulo Brasil de 21 a 26 de novembro de 198

F366

Neste trabalho preliminar procurouse determinar a influØnciade algumas variÆveis operacionais do forno de caï sobre certas características de processo e produto com vistas a verificar quais as variÆveis que oferecem oportunidades para melhoria no custo operacional e alternativas operacionais e de combustíveis

Tal estudo foi realizado com o auxílio de modelagem matemÆtica que tem se mostrado uma ferramenta poderosa na anªlise de processosindustriais pois a partir de dados operacionais e num espaço curto detempo permite avaliar o desempenho de equipamentos e operacçıes unitÆrias sob diversas condiçıes de operaçªo

2 ConsideraCıes Gerais

0 forno de cale 3 tem por finalidadecio por meio de adiçªo demente esperase obter umcombustíveis Procurousesumo energØtico do forno

cuja descriçªo detalhada Ø feita por Kramm 2converter carbonato de cÆlcio em ıxido de cÆlcalor a uma determinada temperatura Natura

a boa conversªo com o menor gasto possível deaqui salientar alguns itens relativos ao cor

Saeaoem Como os processos de calcinaçªo nas indœstrias de celulose sªoem geral por via œmiÆa Ø grande a influØncia da umidade da lama de calno consumo de calor Por exemplo 1 tonelada de lama com 507 de CaC03 e507 de Ægua consumira 1486 MJ para dissociaçªo e 1128 MJ para evaporaçªo ao passo que coW 607 de CaCG e 407 de Ægua necessitaria respectivamente de 1784 e 90 MJ A figurÆ 1 apresenta a variaçªo desta proporçªo em funçªo da umidade da lama

swaa Euau

A pasta de lama de cal ao entrar noforno atravessa uma zona de correntesonde a secagem se dª por aquecimento

to direto convectivo entre gases e sılidos e por aquecimento indireto entresılidos correntes paredes e gasesA taxa de evaporaçªo depende da tempe

is ratura da lama e temperatura de gasesinteragindo com o deslocamento na zonade secagem e aquecimento dos sılidosPor isso apesar da existØncia na li

tu teratura de balanços simplificados uma melhor estimativa das trocas tØrmicas e perfil de umidade ao longo do

osforno pode ser obtida atravØs de modolagem matematica 4 e 5

vtBuJ Fiçrura 1 FeZaçªo calor evaporaçªocaZor àissociaçªo em fundªo do teor de u

so ii scto riàaªe da Zama

Lissociacao âo carnoc Na zona de aquecimento a temperatura aumenta gradativamente pzoporcionando a queima total de matØria orgÆnicacontida na lama e provocando uma expansªo no retículo cristalino docalcªrio acompanhada de microfissuras cuja existØncia auxilia no estªgio posterior de caìcinçªo Secundo Ruch 6 a reaªo CaCO Ca0CO requer 2973kJ a POOCe315kJkgGaO referida a 20 C Divefsos autores verificaram que nrder desta reacao varia entre 02 e 107 e 8

E3ô7

Fenda de calor pega parede A troca de calor entre a parede do forno e omeio circundante esta em torno de 5 lOX do calor total A transferŁncia

se deve à radiaçªo e convecçªo nªo considerando as chuvasA perda total de calor pela parede pode ser expressa como Qtotal QradQ onde Qrad JA grad e Q env IA gcon Noase aqui que osonvfÌuxos de calor Qrad e gcon esao relaciona os coma Ærea da fornopois a temperatura varia ao ˇongQ deste Tais fluxos podem ser calculados4pelas equaçıes qra TB

E Tp Ta e 4conva Tp

oTa onde Tp

e Ta temperatura a parede g do4ar respectivamente em K B constente de Stefan BoltzmnJm sK E emissividade e a coef de transferŁncia de calor Jm sK

Om tratamento mais detalhado destas expressıes e formas de avaliaçªo doscoeucientes poden ser encontrados em Gardeik 9 e Bird 10

0

Fa figura 2 notase que a 200 C a radiaçªo a e 09 passa a ter a mesma0importancia que a convecçªo com o vento a 3ms e a 450 C Ø aproximadamente tres vezes maior ressaltada tambŒm a diferença entre a radiaçao àemissividades E 09 e E 03

A figura 3 ilustre a importªncia da espessura da canaàa de material isolance na perda de caior pela parede Os valores desta figura nªo poderser aolicaàos àretamente a um forno em funcionamento pois nªo forarz cusiàerados o material refratªrío e a espessura da carcaça de ferre Yrete

àeuse apenas mostrar que existe uma regiâo onde uma diminuiçªo de espesura do isolante causa uma grande perda de energia e por outro lado uma

regiªo onde o incremento em espessura nªo apresenta um ganho significativo em conservaçªo de calor

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Perue ªe calor neZOS proà2ttos pı aaces Os sólidos se consiàezaaos u

dos como CaÕ ao sair em do forno a ó100C carregam consigo uma entalpiade 2655Kca1Kg CaO referida a 20 C o que representa 35 de calor em rclacao ao caor àe dissociaçªo Este calor pode ser recuperado atravØs àctreca tØrmica o ar senmàªrìo de combustâo por meio de satØlites nu

F36F3

No caso de resfriadores satØlites Vogel 11 aponta uma eficiØncia aptorimada de 68 ConvØm notar que do ponto de vista energØtico o superaquecimento do produto traz um gasto desnecessªrio de energiaPerdas de calor associadas ao po sªo de dois tipos alma delas Ø a perdadireta de cal produzida pelo transporte e manuseio incorretos Outra perda de calor seria pelo pı retido na sua maior parte pelo lavador dos gases de exaustªo apresentando um subreciclo interno ao ciclo do calA quantidade Ø estimada em 8 12X do produto A figura 4 apresenta umaanªlise granulomØtrica de uma amostra de pı coletada antes do sistema delavagem dos gasesA figura 5 quantifica a energia recuperÆvel dos gases de exaustªo do forno em funçªq de sua temperatura No trecho 100 a 200C a variaçªo Ø pequena porºm a energia envolvida Ø aprecíªvel devido a quantidade de gases Foi assumida condensaçªo total de ªgua mas notase industrialmenteuma evasªo considerªvel de vapor em vªrios lavadores devido a falta dedesnebulizaçªo

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Figura 5 Energia recuperÆvel nosgases de exaustªo em fungªa desua temperatura

Inertes 0 reciclo de inertes no forno de cal implica em gastos de energia no forno ne manuseio e em carga morta ao longo de todo o processocom consequente diminuiçªo da capacidade e perda de material pela sinterizaçªo principalmente quando ocorre superaquecimento de cal na zona de

0combustao ccm temperatura superiores a 1200 1300 C 12Apesar de existir fÆbricas operando com ate 257 ou mais de inertes esteefeito nªo Ø bem estudado nas indœstrias de celulose e portanto seriaimportante trabalhos futuros visando sua caracterizaçªo e quantificaçªo

ComDllS iczo Todas as medidas para reduçªo de perdas de calor afetam ditetamente o consumo de combustível pois a injeçªo de calor Ø igual ao consumo intrínseco do processo de calcinaçªo mais as perdasA zona de combustao pode ser considerada quase que igual ao comprimento dachama e portanto quanto mais longa e afilada a chamamelhozEste comprimento depende do diªmetro interno da zona de combustªo tipode queimador poder calorífico do combustível taxa de ar primÆrio e secundªrio velocidade de saída do queimador vazªo e viscosidade do combustivel velocidade do gªs grau de mistura combcomb eficiØncia de at omizaçªo velocidade de reaçao excesso de ar e outros Ludera 13 apto

869

senta equaçıes empíricas que estimam este comprimento0 excesso de ar nao Ø apenas importante no aumento da vazªo de gasCada acrØscimo de lOX sobre o mínimo de ar requerido implica em decrØsciomo de 25 a 32 C na temperatura da combustªo 13 Isto e agravado pelofato da transferØncia de calor nesta regiªo ser predominantemente proporcional à diferença da quarta potØncia da temperatura o que significa queuma queda de temperatura nesta faixa implica numa reduçªo da ordem de257 na taxa de transferØncia de calor 14 Concomitantemente esta queda do fluxo de calor na zona de combustªo implica no aumento de temperatuna dos gases de exaustªoPor outro ladoamÆ combustªo libeEa C0H2 e drasticamente fuligem o queimplica em um potencial de calor nªo liberado Vale a pena lembrar queentre vªrios os principais fatores requeridos para uma boa combustªo sªoboa atomizaçªo e distribuiçªo de combustível ªngulo apropriado dos queimadores e da entrada de ar May 15 e Sayles 16 publicaram artigos interessantes sobre o controle da combustªoEm trabalhos futuros resultantes de estudo relativo ao Forno de Cal ecexecuçªo pelo CTCPIPT 17 serªo apresentadas e comentadas medidas parareduçªo do consumo energØtico baseaàas nas características operacionaisede equipamentos destas instalaçıes no Brasil

3 Modelo MatemÆtico

0 modelo matemªtíco empregado foi elaborado por Guimarªes 4iem 198D que aperfeiçou modelos anteriormente desenvolvidos Utiliza uesistema de equaçıes diferenciais que regem os perfis de temperatura e corcentraçªo das fases de gases e de sılidos movendose em contra correnteno interior do forno As equaçıes resultam dos balanços de massa e deenergia ao longo do forno de cal

A soluçªo deste sistema de equaçıes Ø feita por um programa decomputador IIL1 constituído de um programa principal e seis subrotinasEste programa estª implantado em um computador IBM 370155 e requer utLtempo de execuçªo CPU da ordem de 4 minutos para realizar o balanço deum forno com 11hn de comprimento e adotando intervalo de integraçªo de03m

Para alimentar o programa sªo necessªrios parªmetros que controlam a execuçªo do programa passo de integraçªonœmero limite de iteraçıes etc e parªmetros relativos ao processo dimensªo do fornocaractecísticas dos refratªrios vazªo temperatura e composiçªo da lama arcombustivel e velocidade de rotaçªo do forno

Como resposta o programa gera uma tabela contendo dados de euada mensagens de execuçªo geometria do forno mostrando os limites daszonas de secagem aquecimento e calcinaçªo do calcªrio perfil de temneratura e de composiçªo para sılidos e gases balanço tØrmico global e caraterizaçªo do produto e do gªs de exaustao

D modelo apıs uma fase de ajustes dos seus parªmetros pod scrempregado para determinar o desempenho de um forno em operaçªo ou cornoauxiliar na anÆlise de alternativas operacionais e de combustíveis tacsido jª aplicado a fornos em industrias dos Estados unidos e BrasisUma descriçªo detalhada do modelo referido foi apresentada noICoaresso Anual da ABCP 18

870

4 Estudo de Alternativas Operacionais e de Combustíveis

0 objetivo do estudo de alternativas foi determinar o efeito davaiiaçªo de alguns parªmetros sobre as características mais importantesdo processo magnitude das zonas de secagem de aquecimento e de calcinaçªo perfil de temperatura e da composiçªo de gases e de sılidos ao longoda forno composiçao do produto e dos gases de exaustªo balanço tØrmicoglobal e índice de desempenho do forno

Inicialmente realizouse a anªlíse do desempenho de um fornode cal caso de referŒncia cujas características de equipamento e operaçªo sªo

dimensıes e geometria do forno conforme figuras 6 e 7

L1 183m L2 1128m L376S1m Lt 85Om

S 2257 Do 330m D1 3OSm D2 297m

D3 280m Ldl 1189m Ld272SSm

conduividade tØrmica dos refratªrios conforme afigura 7 unidades emJs m C

Kl011382 09375 x 10s x 18 t 273 x 1731

K2039086 01833 x 10a x 18 t 273 x 1731

K3023156 03125 x 103 x 18 t 273 x 1731

onde t temperatura da parede em oC

características da lama

Vazªo 270 th

Temperatura 60oCCalor específico10886JKgCComposiçªo 7CaCO 4553 H 0 4400Mateiiaì inerte2 1047

características do ar

Vazªo 341thExcesso 307

Temperatura 253oC

características do combustível

Tipo BPFVazªo 160 thTemperatura 134CPoàer calorífico40941 kJkg

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Figura 6 Dimensıes e geometria do for

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Fiara 7 Característicasdc orno com re Zaçªo aomcarial refratÆrio

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871

Foram estudados um total de 13 casos A tabela 1 mostra as alteraçıes decada caso em relaçªo ao caso de referŒncia A tabela 2 resume os principais resultados das simulaçıes Nas figuras 8 e 9 sªo apresentados os perfis de temperatura dos gases dos sılidos da parede interna e externado forno e os de concentraçªo ao longo do forno para o caso de referŒncia Detalhes adicionais e figuras dos outros casos sªo encontrados no relatırio final da referŒncia 17

Tabela 1 Casos alternativos estudados

Caso Variªvel estudadaValor no casode referŒncía

Variaçªo em relaçªoao caso de referŒncia

1 Teor seco 616 560 10072 Teor seco 672 560 20093 Fluxo de lama 277 th 270 th 2674 Fluxo de lama 263 th 270 th 2675 Excesso de ar SOi 30 66Jy6 Excesso de ar l0i 307 6677 Combustivel alternativo óleo BPF Gªs pobre de madeira8 Combustível alternativo Óleo BPF Gªs pobre de carvªo9 Rotaçâo do forno 1Srpm 114rpm 3167

1 0 Rotaçªo do forno 2Orpm 114rpm 75471 1 Espessura dos refratarios Scm a menos na zona da

queima e 3cm a menos nazona intermediªria

12 Teor de inertes 73i 10477 303713 Teor de inertes 366 10477 650

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5 Comentªrios

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A seguir sªo feitos comentªrios sobre as modificaçıes mais significativas ocorridas com vistas a identificar as variÆveis que devemser monitoradas mais rigidamente para aumentar a eficiØncia operacional eaquelas yue oferecem oportunidades para melhorias no custo operacional

Teo seco da Zama Casos e 2 foram testados dois valores de teorde solidos na corrente de alimentaçao Em ambos os casos a alimentaçªotinha o mesmo fluxo de material calcínÆvel e de inertes mas diferenteteor de umidade

Como era esperado um aumento no teor seco contribui para uma calcinaçªototal e elevaçªo do desempenho do forno Isto realça a importªncia dosistema de filtraçªo anterior ao forno no sentido de manter a alimentao no teor de sılidos o mais alta possível 0 fato de nªo se ter alteradu a quantidade de óleo introduzido provocou a elevaçªo da temperaturados gases de exaustªoda temperatura mªxima dos refratªrios e uma maiorperda de calor pela parede Sugerese para as fªbricas que nªo possaminstalar monitoria continua para o teor de umidade da lama realizar commais frequØncía amostragem e anÆlise do seu teor de umidade o que permítirÆ uma economia de energia atravØs da utilizaçªo da proporçªo adequadade combustível

FZztode Zama Casos 3 e 4 0 fluxo de lama alimentada ao forno ºy

uma variavel critica Uma elevaçªo pequena 267 causa uma diminuiçªode 857 no teor dc Ca0 do produto e um aumento na zona de secagem A ii

minuiçªo do fluxo na mesma proporçªo eleva a conversªo da reaçªo decalcinaçªo em 10 Estes valores mostram que a estabilidade do fluxode a li wentaçªo Ø importante nao só para a economia de energia como tarabØm para a qualidade de cal produzida

ESCasso üc ar Casos 5 e 6 A elevaçªo do excesso de ar de 30 paraSOi causa a diminuiçao do rndice de desempenho do forno 86y para 1025GJtCa0 c de teor de Ca0 no produto 217 alØm da perda extra de ener

874

gia para aquecimento de maior volume de nitrogŒnio e oxigŒnio nªo aproveitodos para a reaçªo No valor inferior de excesso de ar 10 a conversaode CaCOqq nªo Ø alterada mas como a vazªo de combustivel nªo foi variada hÆ EendØncia de ocorrer superaquecimento dos refratÆrios na zona decombustªo De uma meneira geral recomendasetrabalhar com valores minimos de excesso de ar exigido para cada tipo de combustivel e instalaçªoPara tal º importante a monitoria da concentraçªo de OZ nos gases de saída se possível continuamente prÆtica esta pouco vista em nossa fÆbricasCom3ustivel alternativo Casos 7 e 8 0 emprego de gªs pobre de nadeira e de carvao com a mesma capacidade energØtica gerada pelo ıleo combustível no caso de referØncia causa uma diminuiçªo na conversªo de CaC0311 e 57 respectivamente e uma elevaçªo da temperatura dos gases da ordem de 30C Neste estudo o excesso de ar nªo foi alterado em relaçªo aocaso de referØncia 307 embora seja de conhecimento que combustíveis gasosos requerem um excesso menor 10 a 157 Mesmo assim o volume final degªs sofrerª um aumento da ordem de 3 57 o que poderª causar problemasoperacionais caso o sistema de lavagem de gases nªo comportar tal aumento

Rozacao do forno Casos 9 e 10 0 aumento da rotaçªo leva à reduçªodo tempo de residencia uma vez que sªo inversamente proporcionais Destemodo o material fica menos tempo exposto ao calor causando uma menor calcinaçªo aumento na temperatura dos gases de exaustªo e na perda pela parede AlØm disso velocidades baixas contribuem para obtençao de uma açaode rolamento apropriada o que traz uma melhoria nas propriedades da cal2 e 3

Expessura dos refratcmios Caso I1 A espessura dos refratÆrios foireduzida em relaçao ao caso de referŒncia com a finalidade de representar o desgaste natural dos mesmos Em consequŒncia observase o aumentode perdas pela parede a queda do índice de desempenho e uma pequena reduçªo no tempo de residencia

teor de inertes Casos 12 e 13 A reduçªo no teor de inertes foi anolisada com o objetivo de salientar a sua importância relativa à economiade energia A diminuiçªo em 307 representa uma economia de óleo combustível da ordem de 17 e 037 para fornos sem e com satºlites respectivamente Ca lembrar que tal reduçªo tem efeitos benØficos em todo o sistemade causificaçªo

6 Conclusıes

0 estudo de alternativas dos parªmetros operacionais mostrouque o teor de umidade da lama alimentada Ø uma variÆvel crítica para o 0funcionamØnto do forno e consumo de combustível e deve ser mantido constante e no valor mais baixo possível atravØs da operaçªo adequada no filtro de lama

Variaçıes no fluxo de lama e elevaçªo no excesso de ar compromeem negativamente o desempenho energØtico do forno e portanto devem serevitadas Para uma certa produçªo e melhor qualidade de cal produzida arotaçªo do forno deve ser mantida em níveis baixos

A operaçªo do forno em faixas adequadas traz consequŒncias imediatas na economia de energia apesar dos efeitos de alteraçıes isoladasserem pequenos

Embora estes resultados sejam conhecidos qualitativamente aaplicaçâo de um modelo matemªtico permite a avaliaçâo quantitativa destasvariaçoes Isto Ø de grande auxílio na anªlise tØcnica e econımica de parªmetros operacionais particularmente no estudo de combustíveis alternativos

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17 InfluØncia de algumas características operacionais do sistema de recuperaçâo de fÆbricas de celulose no consumo de ıleo combustível doforno de cal Contrato MICSTI n4 01282 CTCPIPT Sªo Paulo

18 Gimarªes JC Modelo Melhorado do Forno de Cal Analisa Desempenhode combustíveis Alternativos XIV Congresso Anual da ABCP Vol INovembro1981 Sªo Paulo

8 Agradecimento

Os autores agradecem o apoio financeiro da Secretaria de Tecnologia Industrial do MinistØrio da Indœstria e do ComØrcio que possibilitou arealizaçªo deste trabalho

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