teoria da fabricação de cimento.pdf

CURSO TECNOLOGIA DE CALCINAO

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Curso

7HRULDGD&DOFLQDomR

Cimento Tupi S.A. 1 Semestre/2007


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Sumrio 1. Qumica do Cimento ....................................................................................................4

1.1. Composio Mineralgica do Clnquer ............................................................................4 1.2. Composio Potencial......................................................................................................4 1.3. Mdulo de Saturao (FSC) .............................................................................................4 1.4. Mdulo de Slica (MS).....................................................................................................5 1.5. Mdulo de Alumnio (MA) ..............................................................................................6 1.6. Influncia do FSC, MS e MA...........................................................................................6

1.6.1. Saturao Elevada ....................................................................................................6 1.6.2. Saturao Baixa .......................................................................................................7 1.6.3. MS Elevado .............................................................................................................7 1.6.4. MS Baixo.................................................................................................................7 1.6.5. MA Elevado.............................................................................................................7 1.6.6. MA Baixo ................................................................................................................8

1.7. Influncia da Homogeneidade e Granulometria da Farinha na Queima de Cru..................8 1.8. Formulas Empricas de Controle de Queima da Farinha ...................................................8

1.8.1. Fator de Queima ( BF)..............................................................................................8 1.8.2. ndice de Queima (BI)..............................................................................................9 1.8.3. Fator de Colagem ( AW) ..........................................................................................9

1.9. Fatores que Influenciam o Processo de Nodulao .........................................................10 1.9.1. Velocidade e nmeros de rotaes do forno............................................................10 1.9.2. Quantidade e composio da fase lquida ...............................................................10 1.9.3. Grau de enchimento do forno. ................................................................................10 1.9.4. Finura do material particulado. ...............................................................................10

1.10. Clnquer Pulverulento ................................................................................................10 1.10.1. Conseqncia de formao de clnquer pulverulento ..............................................10

1.11. Notas .........................................................................................................................11 2. Lei dos Gases.............................................................................................................11

2.1. Introduo......................................................................................................................11 2.2. Principio Bsico.............................................................................................................11 2.3. Valores Absolutos de Temperatura e Presso .................................................................12 2.4. Lei de Charles ................................................................................................................12 2.5. Lei de Gay Lussac..........................................................................................................12 2.6. Lei de Boyle ..................................................................................................................12 2.7. Lei Geral........................................................................................................................12 2.8. Condies Normais ou Standard ....................................................................................13

3. Combusto.................................................................................................................13 3.1. Introduo......................................................................................................................13 3.2. Combusto Completa e Incompleta ................................................................................14 3.3. Energia na Combusto ...................................................................................................14 3.4. Excesso de ar .................................................................................................................14 3.5. Combusto Primria e Secundria..................................................................................16 3.6. Combusto e Estabilidade Operacional ..........................................................................16 3.7. Composio dos Gases...................................................................................................17 3.8. Substituio dos Custos..................................................................................................17

4. Emisso de SO2 e NOx em Fornos de Cimento ..........................................................18 4.1. Introduo......................................................................................................................18 4.2. Clculos dos Valores de emisso de NOx.......................................................................18 4.3. Reaes trmicas de NO ................................................................................................19 4.4. Fatores importantes que contribuem para formao de NOx...........................................20

5. Reaes para Formao de Clnquer...........................................................................20


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5.1. Introduo......................................................................................................................20 5.2. Evaporao da gua Livre .............................................................................................21 5.3. Decomposio do Carbonato de Magnsio.....................................................................21 5.4. Desidroxilao das Argilas.............................................................................................21 5.5. Decomposio do Carbonato de Clcio ..........................................................................21 5.6. Formao do C2 S...........................................................................................................22 5.7. Formao do C3A e C4 AF .............................................................................................22 5.8. Formao do C3S ...........................................................................................................22 5.9. Primeiro Resfriamento ...................................................................................................23 5.10. Segundo Resfriamento ...............................................................................................23 5.11. Determinao das fases do Clnquer...........................................................................23 5.12. Termoqumica da Calcinao .....................................................................................24

6. Transmisso de Calor no Forno..................................................................................26 6.1. Introduo......................................................................................................................26 6.2. Princpios da Transmisso de Calor................................................................................26 6.3. Transmisso de Calor.....................................................................................................27

6.3.1. Pr-aquecedor ........................................................................................................27 6.3.2. Forno .....................................................................................................................29 6.3.3. Resfriador ..............................................................................................................31

6.4. Distribuio do Calor .....................................................................................................32 6.4.1. Combusto Primria e Secundria ..........................................................................32 6.4.2. Comprimento da Chama.........................................................................................32 6.4.3. Excesso de Ar ........................................................................................................32

6.5. Perdas de Calor ..............................................................................................................32 6.6. Resumo do Balano de Calor Real do Forno com 4 Estgios de Ciclones com Resfriador de Grelhas e Duto de Ar Tercirio .............................................................................................34

6.6.1. Entrada...................................................................................................................34 6.6.2. Sadas.....................................................................................................................34

6.7. Operao Eficiente.........................................................................................................35 7. Formao de Colagem e Anel ....................................................................................35

7.1. Introduo......................................................................................................................35 7.2. Colagem na Zona de Sinterizao ..................................................................................35 7.3. Queda de Colagem e Mancha no Casco ......................................................................39 7.4. Procedimento de Emergncia .........................................................................................40

7.4.1. Superaquecimento sem Mancha .............................................................................40 7.4.2. Superaquecimento com Mancha .............................................................................40

7.5. Formao de Anis ........................................................................................................41 7.5.1. Anis que se forma na Descarga do Forno ..............................................................41 7.5.2. Anis que se formam logo aps a Zona de Sinterizao Anis de Clnquer ..........42 7.5.3. Anis que se formam no Fundo do Forno Anis de Sulfato..................................43

7.6. Remoo de Anis de Boca e de Clnquer ......................................................................43 8. Controle das Zonas Frias do Forno.............................................................................43

8.1. Introduo......................................................................................................................43 8.2. Controle do Pr-aquecedor.............................................................................................44 8.3. Controle da Zona de Descarbonatao............................................................................44 8.4. Fluxo de Gases...............................................................................................................45

9. Movimento de Materiais ............................................................................................45 9.1. Introduo......................................................................................................................45 9.2. Circuito de Gases ...........................................................................................................46

9.2.1. Circuito do Resfriador ............................................................................................46 9.2.2. Circuito do Forno ...................................................................................................47 9.2.3. Circuito da Descarga ..............................................................................................47


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9.3. Circuito do Material.......................................................................................................48 9.3.1. Pr-Aquecedor .......................................................................................................48 9.3.2. Forno .....................................................................................................................48 9.3.3. Resfriador ..............................................................................................................49

9.4. Fluxo de Material e Equilbrio de Operao ...................................................................49 9.5. Sincronizao Alimentao-Rotao ..............................................................................50

10. Estabilidade de Operao do Forno ............................................................................51 10.1. Introduo..................................................................................................................51 10.2. Zonas do Forno ..........................................................................................................51

10.2.1. Zona de Calcinao (ZC)........................................................................................52 10.2.2. Zona de Transio (ZT)..........................................................................................52 10.2.3. Zona de Fuso (ZF) ................................................................................................52 10.2.4. Zona de Alta Temperatura (ZAT) ...........................................................................53 10.2.5. Zona de Resfriamento (ZR) ....................................................................................53

10.3. Comprimento Efetivo do Forno..................................................................................53 10.3.1. Forno Normal.........................................................................................................54 10.3.2. Forno Curto............................................................................................................55 10.3.3. Forno Longo ..........................................................................................................56

10.4. Mistura Crua ..............................................................................................................57


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1. Qumica do Cimento 1.1. Composio Mineralgica do Clnquer O clnquer do cimento Portland apresenta como constituintes principais os silicatos de clcio e

os constituintes secundrios: Aluminato e Ferro-Aluminato de Clcio. Silicato Triclcico................................................ 3 CaO.SiO2 ( C3S ) Silicato Biclcico................................................ 2 CaO.SiO2 ( C2S ) Aluminato Triclcico........................................... 3 CaO. Al2O3 ( C3A ) Ferro-Aluminato Tetraclcico............................. 4 CaO.Al2O3.Fe2O3 ( C4AF )

Outros constituintes secundrios so encontrados tais como: Periclsio (MgO); Anidrita (CaSO4) ; Sulfo Silicato de Clcio (2 Ca2SiO4.CaSO4) ; etc.

A sntese destes componentes funo da composio qumica do cru e das composies fsicas de operao do forno. Como alguns componentes so instveis necessita-se de um resfriamento rpido para estabiliza-los.

Com isto devemos concluir que a sntese de um clnquer numa fbrica, utilizando sempre as mesmas matrias primas, pode produzir diferentes clnqueres, que iro dar maus ou excelentes cimentos.

1.2. Composio Potencial Atravs de clculos fsico-qumicos, admitindo-se condies ideais possvel obter a

composio mineralgica do clnquer. Esta composio dita potencial, pois o cru teria a potencialidade de gerar tal clnquer.

A correta composio mineralgica do clnquer feita por microscopia ptica, que um ensaio demorado. Outra forma a anlise por difrao de Raios-X que analisa os cristais formados; mais rpida, porm envolve um aparelho especial e anlises do resultado por computador. , portanto, uma anlise de altos custos.

As diferenas observadas entre a composio potencial calculada e a obtida por microscopia ou difrao de Raio-X motivada por variaes do processo industrial e pelo fato que nas dedues das equaes, admite-se estados ideais e composies puras entre Clcio, Slica, Alumnio e Ferro. Sabemos que existem outros componentes no clnquer como Magnsio, Titnio, Potssio, Sdio, Enxofre, Fsforo, etc.

A partir da anlise qumica elementar do clnquer podemos calcular sua composio potencial pelas frmulas de BOGUE que foram modificadas por LEA e PARKER

C3S = 4,07 (% CaO - % CaO livre ) - 7,60 (% SiO2) - 4,92 (% Al2O3) - 4,23 (% Fe2O3) C2S = 8,60 (% SiO2) + 2,97 (% Al2O3) + 2,98 (% Fe2O3) - 3,07 (%CaO - % CaO livre) C3A = 2,65 (% Al2O3) - 1,69 (% Fe2O3) C4AF = 3,04 (% Fe2O3) Apesar dos desvios observados, o clculo da composio potencial utilizado normalmente

nas fbricas e estabelece-se uma correlao entre estas e as propriedades do cimento. Tambm se utiliza a composio potencial para o proporcionamento da mistura de cru.

1.3. Mdulo de Saturao (FSC) O mdulo de saturao (FSC) a relao potencial entre a quantidade de cal presente e a

quantidade mxima terica possvel de combinar-se com os demais elementos da mistura.


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So impostas as seguintes premissas na clinquerizao: Todo ferro combinar com clcio e alumnio formando C4AF. O alumnio que sobrar da formao do C4AF, combinar com mais clcio para formar

C3A. Todo silcio presente combinar-se- com o xido de clcio (CaO) para formar C3S.

Assim pode-se calcular estequiometricamente o CaO mximo possvel:

CaOMXIMO TERICO = 2,8 SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65 Fe2O3 (Balano estequiomtrico)

A relao entre o teor real de cal na mistura e o valor mximo terico calculado como acima, estabelece o fator de saturao de cal (FSC).

Assim temos:

SAT CaOSiO Al O Fe O

=

+ +

%, , ,

*2 81 1 18 0 65

1002 2 3 2 3

1.4. Mdulo de Slica (MS) O mdulo de slica a relao numrica entre a percentagem de SiO2 e a soma das

percentagens de Al2O3 e Fe2O3 existentes na mistura crua ou clnquer.

MS SiOAl O Fe O

=

+

2

2 3 2 3

A importncia desse mdulo que ele exprime uma correlao entre os componentes com elevada atividade hidrulica (C3S e C2S) e a "fase lquida" ( C3A e C4AF).

O MS influncia diretamente a quantidade de fase fundida. Uma reduo do MS resultar em geral na formao de mais lquidos. No ocorrendo, porm nenhuma alterao na durao da fase fundida, mas sim em um aumento da velocidade de nodulao nessa zona.

A F.L Smidth acredita que a quantidade adequada de fase fundida para uma boa nodulao em torno de (20 - 25) % ver Grfico 1. Uma frmula simples para se determinar a quantidade de fase fundida temperatura de 1400 C.

% fase fundida = 2,95 A + 2,2 F Onde A e F representam a % de Al2O3 e Fe2O3 presentes na farinha crua, corrigidos de acordo

com a perda ao fogo.

Grfico 1: Porcentagem de Lquido em funo da Temperatura para um Clnquer com LSF=94, MS=2,6 e MA=2,0


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1.5. Mdulo de Alumnio (MA) Tambm chamado de mdulo de ferro, determinado pela relao entre as percentagens de

alumnio e ferro.

MA Al OFe O

=

2 32 3

O mdulo de alumnio nos fornece a informao sobre a viscosidade da fase lquida e a % de fase lquida em uma determinada temperatura, ou seja, nos d a informao da extenso e durao da zona de fase fundida. Este fator, freqentemente esquecido, muito importante.

O Grfico 2 mostra a quantidade de fase fundida em funo da temperatura para trs diferentes MA, a um MS e LSF fixos. O ponto fundamental a diferena de fase fundida na regio de baixas temperaturas ( 1300 -1350 ) C. Onde a nodulao eficaz porque a formao de alita lenta.

Grfico 2: Contedo de Fase Fundida em funo da Temperatura com MA varivel

1.6. Influncia do FSC, MS e MA 1.6.1. Saturao Elevada Exige maior grau de finura do cru para permitir a completa reao durante a

clinquerizao, de tal forma que evite a formao de CaO livre. Exige maior consumo de combustvel na descarbonatao e clinquerizao. Para

melhor rendimento do processo necessrio mais calor na clinquerizao. Produz um clnquer com teores de C3S mais elevados. Cimento de maior resistncia

mecnica. Resulta um cimento com calor de hidratao mais elevado. Aumento de consumo de energia na moagem de cimento; moagem de clnquer

pulverulento .


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1.6.2. Saturao Baixa No exige que a mistura crua (farinha) tenha elevada finura. uma farinha mais fcil de se queimar. Menor consumo de combustvel para uma

clinquerizao adequada. Origina clnquer com maior teor de C2S e portanto um cimento com uma evoluo

das resistncias mais lentas e menores ; um calor de hidratao mais baixo ; um clnquer mais difcil de moer.

1.6.3. MS Elevado Origina clnqueres com baixa percentagem de "fase lquida" ( C3A e C4AF),

dificultando desta forma a reao de clinquerizao e a granulao do mesmo. Dificulta a formao de colagens na zona de clinquerizao, aumentando o consumo

de refratrios. Exige maior consumo de energia (combustvel) para clinquerizao da mistura crua Quando M.S. elevado est conjugado com uma saturao elevada, origina cimentos

com elevado calor de hidratao. Origina clnqueres com alto teores de silicatos (C3S e C2S), portanto cimentos com

elevadas resistncias mecnicas. Exige uma maior finura da farinha. Aumenta o consumo de energia na moagem de cimento; clnquer pulverulento.

1.6.4. MS Baixo Origina clnqueres com baixos teores de silicatos e, portanto cimentos de baixa

resistncia mecnica. Clnqueres com alta percentagem de "fase lquida", facilitando a reao de

clinquerizao e granulao do mesmo. Obs.: Enquanto o MA influncia a formao de fase fundida de clnquer a temperaturas

baixas, o MS tm influncia mais pronunciada sobre a quantidade de fase lquida de clnquer formada a temperaturas elevadas. Assim, nos casos em que a quantidade de fase fundida de clnquer demasiadamente baixa para assegurar uma nodulao satisfatria na zona de cozimento, possvel propor uma reduo do MS da mistura. Isso resulta em geral na formao de mais lquido. No ocorrendo, porm, nenhuma alterao na durao da zona de fase fundida, mas aumentando sim a velocidade de nodulao nessa zona. Exige menor consumo de combustvel para clinquerizao adequada da mistura crua. Facilita a formao de colagens na zona de clinquerizao, reduzindo o consumo de

refratrios nessa zona. Obs. Se o M.S. for < 2,0 comea a formar bolas, anis dentro do forno e corremos o risco de

"lavarmos o forno (fundir as colagens).

1.6.5. MA Elevado Farinhas mais difcil de queimar. Maior consumo de combustveis; Origina clnqueres pulverulento, devido pequena quantidade de fase lquida a baixa

temperatura; Dificulta a formao de colagens; Produo de um cimento com alto teor de C3A. Produo de um cimento com resistncias iniciais altas, devido na hidratao do

cimento, a reao do C3A com o gesso serem rpidas. Produo de um cimento com alto calor de hidratao;

O C3A responsvel pelas reaes de endurecimento inicial do cimento, conhecido pelo nome de "Pega".


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1.6.6. MA Baixo Farinha mais fcil de queimar. Mais fundentes; Origina clnqueres mais bem nodulados, devido quantidade de fase lquida a baixa

temperatura. Tem mais tempo para nodular. Aumento da zona de fase fundida dentro do forno. Interfere no comprimento efetivo

do forno. Produz um cimento com um maior teor de C4AF e um menor teor de C2A. J que

durante a clinquerizao, forma -se inicialmente o C4AF e o Al2O3 remanescente que ir formar o C3A. Produz um cimento resistente aos ataques qumicos. O C4AF o componente mais

resistentes aos ataques qumicos, especialmente s guas sulfatadas.

1.7. Influncia da Homogeneidade e Granulometria da Farinha na Queima de Cru

possvel mostrar equaes empricas para determinadas fbricas, levando-se em conta os parmetros at agora discutidos e mais a finura do cru. Estudos nos mostraram que gros de calcreo maior que 125 m e quartzo maior que 44 m, so responsveis pela CaO livre remanescente e pelo resduo insolvel, respectivamente, alm de causarem danos considerveis na mineralogia do clnquer.

A F.L Smidth estudou estes aspectos e props equaes matemticas correlacionando dados de muitas fbricas. Assim possvel determinar a CaO livre pela equao :

CaO1400C = 0,33 ( SAT - SAT (MS)) + 0,93 SiO2 + 0,56 CaCO3 + 0,2Aq Onde: SAT (MS) = - 5,1 M.S. + 107 para 2,0 < M.S. < 6,0. SiO2 = % de quartzo > 44 m CaCO3 = % de CaCO3 > 125 m. Aq = % de Resduo insolvel cido, quartzo

Esta equao foi comparada com a queima das farinhas a 1400 C do cru por 30 minutos apresentando um desvio de apenas 1,1 % em 70 materiais cru diferentes.

Uma farinha pouco homognea causa tambm CaO livre, devido "falta" de contato entre o clcio e a slica. Formao de zonas de CaO livre perto de zonas de C2S.

Uma farinha pouco homognea pode ser responsvel tambm pela m distribuio de fase lquida. Se a frao finamente dividida da farinha crua apresentar uma quantidade desproporcional de, por exemplo, argila, a massa ser agregada aos materiais de nodulao mais fcil isto , aos finos. nesta situao pode ocorrer a formao simultnea de p de clnquer e de grandes bolas densas de clnquer ambas de difcil moagem.

1.8. Formulas Empricas de Controle de Queima da Farinha Vrias pesquisas j feitas apontam vrios mtodos de comparao e controle de queima de

uma farinha.Algumas destas sero discutidas agora. elas levam em conta apenas os parmetros que o pesquisador classificou como mais importante para o processo.

1.8.1. Fator de Queima ( BF) a teoria que associa os mdulos de saturao e slica com lcalis e MgO para avaliar a

facilidade ou dificuldade relativa de queima, permitindo comparar misturas cruas ou clnqueres de composio diferentes. definido pela expresso :


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BF = FSC + 10 MS - 3 (MgO + lcalis Totais) Onde o MgO limitado em 2,0 %, que corresponde solubilidade deste nas fases do clnquer. uma relao numrica derivada de observaes prticas, sendo importante notar ; 1,0 % de variao no contedo de lcalis ou MgO afeta a queima desta na mesma

proporo que uma variao de 3,0 % na Saturao ou 0,3 % no M.S. Variao do B.F. at 1,0 no resultam em modificaes sensveis na queima da

mistura. Variaes maiores que 2,0 resultam em mudanas na queima que podem ser

facilmente notadas. Variaes maiores que 3,0 implicam no ajuste do fluxo de combustvel para o forno,

de forma a preparar a zona de clinquerizao para as novas condies de operao. Para correta avaliao do BF deve-se levar em conta iguais matrias-primas (componentes

mineralgicos) e finura constante do cru. Um clnquer com baixo BF mais fcil de queimar comparando com um com alto BF.

1.8.2. ndice de Queima (BI) Pesquisadores da Companhia Fuller estudaram o efeito da composio potencial do clnquer

no processo de clinquerizao e suas conseqncias na moabilidade do clnquer e propriedades finais do cimento. A relao matemtica :

BI C SC A C AF

=

+

3

3 4

Calculados pela frmula de Bogue e baseando-se no fato que o C3S formado dependem daquelas relaes, pois primeiro se forma o C2S e a complementao funo da fase lquida e mdulo de alumnio.

Um clnquer com baixo BI mais fcil de queimar,comparando a um de alto BI para uma mesma CaO livre. Um clnquer de alto BI requer mais tempo de formao de C3S e C2S, conseqentemente uma zona de clinquerizao longa com maior consumo de combustvel.

1.8.3. Fator de Colagem ( AW) O fator de colagem, tambm chamado de " fator de aptido para crostas " uma relao que

permite comparar misturas cruas de composies qumicas, as mais diversas, com respeito tendncia formao de colagens na zona de queima e tambm formao de bolas e anis de clnquer. o AW definido por :

AW = C3A + C4AF + 0,2 C2S + 2 Fe2O3 Da relao acima se pode deduzir que : O AW ser tanto maior quanto mais elevada for a fase lquida ; Ser tanto mais elevado quanto mais baixo for a Saturao ( C2S elevado ) ; Ser tanto mais elevado quanto mais baixo for o M.A ; Quanto mais elevado for o AW de uma mistura, maior sua aptido para formar

colagens, bolas e anis de clnquer. Da mesma forma que as relaes de queima o AW deriva de observaes prticas. O ponto

timo para o AW aquele que permita a formao de uma colagem estvel na zona de queima, evitando o consumo excessivo de tijolos refratrios e ao mesmo tempo no acarrete os indesejveis anis de clnquer e bolas. Os valores encontrados so : AW menor que 30 - difcil formao de colagens AW igual ou prximo a 33 - Boa formao de colagens AW prximo ou superior a 40 - formao de bolas e anis de clnquer.


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1.9. Fatores que Influenciam o Processo de Nodulao 1.9.1. Velocidade e nmeros de rotaes do forno Por meio de investigaes de um regime de velocidade de rotao ( 0,2 * ncrit < n < 0,35 *

ncrit ) sabe-se que o fator decisivo para o desenvolvimento da nodulao o nmero total de rotaes e no o tempo realmente transcorrido. Isso parece razovel j que o nmero de rotaes determina o nmero de cadas por cascatas do material no forno e, desse modo, a possibilidade de contato entre os ndulos / partculas.

Assim se obtm uma cada em cascata do material, apropriada para a nodulao a uma velocidade de rotao de 0,35 * ncrit.

1.9.2. Quantidade e composio da fase lquida As medidas de nodulao que predominam na fabricao do clnquer "cinzento" normal

incluem a fase fundida do clnquer. Suas propriedades so tais que humedece bem os cristais de silicatos e forma pontes de capilaridade entre partculas slidas. Essas pontes tm duas finalidades: elas mantm as partculas unidas e atuam como um meio pelo qual o CaO e C2S podem se difundir para permitir a formao de C3S.

1.9.3. Grau de enchimento do forno. Verificou-se que um maior grau de enchimento do forno causa uma maior velocidade de

crescimento dos mdulos. Devido a uma maior probabilidade de colises entre partculas. Essa relao s vlida quando a quantidade de material no forno no suficientemente grande para alterar as caractersticas do movimento do material no forno.

1.9.4. Finura do material particulado. A nodulao exige um tamanho de partculas inferior a 200 m e pode-se afirmar que um

material mais grosso prejudica o processo de nodulao de modo a retardar a transformao de uma quantidade de carga em ndulos. Uma quantidade muito grande de partculas grosseiras pode impedir totalmente a nodulao do clnquer.

1.10. Clnquer Pulverulento

1.10.1. Conseqncia de formao de clnquer pulverulento Prejudica a operao satisfatria do resfriador de grelhas, causando problemas de

manuteno; Prejudica a eficincia do resfriador, pois o p significa um aumento da qualidade de

calor contido no clnquer que entra no resfriador, e isso reduzir a sua eficincia. Diminui a vida til dos tijolos refratrios da zona de clinquerizao, porque o p que

retorna do resfriador provoca freqentemente a formao de colagens instveis de alta porosidade sobre os refratrios, ao invs de colagens densa e estveis. Aumento do consumo de energia na moagem de cimento. A experincia demonstra

que o consumo especfico de energia nos moinhos de cimento pode aumentar at 40 % quando a granulomtrica do clnquer passa de um clnquer nodulado para um pulverulento.


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1.11. Notas

Um aumento de 1% no mdulo de Saturao causa um acrscimo de 7,8 Kcal/Kg. Um aumento de 0,1% no M.S da farinha causar um aumento de 9,8 Kcal/Kg. Um aumento de 1% CaCO3 na farinha causar um aumento de 9,8 Kcal/Kg. Um aumento de 0,5% CaO na farinha causar um aumento de 8,9 Kcal/Kg. Um aumento de 1% CaCO3 na farinha causar um aumento de 14,25% na

percentagem potencial de C3S e um decrscimo de 11,6% na percentagem de C2S. Um mdulo de Alumnio na faixa de 1,60 assegura a formao mxima de fase

fundida temperatura mnima possvel. A granulometria do clnquer importante para operao de todo o resfriador. No deve

haver p em demasia; menos que 15% < que 15 mm (0,02"). Uma grande quantidade de clnquer com mais que 25 mm (1") aumenta a temperatura do clnquer aps o resfriador devido ao resfriamento muito lento dessa frao. Menos que 10 % com mais de 1" so aceitveis.

2. Lei dos Gases

2.1. Introduo Todos os gases, inclusive os do sistema de calcinao, se comportam de maneira previsvel

quando sujeitos a variaes de temperatura e presso. Gs perfeito aquele que se comporta exatamente conforme as leis fsicas que estudaremos

nesta unidade. Os desvios observados em relao s leis dos gases se acentuam com a complexidade

molecular dos mesmos e em condies extremas de temperatura e presso. Na pratica, consideremos perfeitos os gases no sistema de calcinao e os desvios verificados

so desprezveis, por apresentarem pequena complexidade molecular.

2.2. Principio Bsico As leis dos gases so decorrentes do princpio Termodinmico de temperatura mnima

possvel no universo, ou seja, zero absoluto, fixado em -273 C (duzentos e setenta e trs graus celcius negativo). Nessa temperatura cessa o movimento molecular e todas as substncias se apresentam no estado slido.

Na medida em que a temperatura se eleva, acelera-se o movimento molecular at que, numa dada temperatura, para cada substncia as molculas apresentam tanta liberdade que definem j o estado lquido. Aumentando-se ainda mais a temperatura, atingimos o grau maior de liberdade entre as molculas que definem o estado gasoso.

A gua serve para ilustrar bem os trs estados da matria, por apresenta-los em temperaturas prximas temperatura ambiente: gelo, gua lquida e vapor.

Considerando uma substncia j no estado gasoso, se aumentamos sua temperatura, o movimento das molculas acelera-se proporcionalmente temperatura absoluta. Imaginando esse gs contido em um recipiente, aumentaro os choques das molculas contra as paredes do mesmo, com duas possveis conseqncias: Sendo as paredes do recipiente rgidas, de forma a manter volume constante, haver

um aumento de presso no interior do mesmo. Sendo as paredes do recipiente elsticas, de modo a manter a presso constante, haver

um aumento de volume do recipiente, at que o nmero de choques de molculas contra a unidade de rea das paredes seja idntico ao verificado antes do aumento da temperatura.


12

2.3. Valores Absolutos de Temperatura e Presso Os valores de presso e temperatura utilizados para clculos com as leis dos gases so

absolutos. Para obter-se a temperatura absoluta correspondente a uma temperatura em graus Celcius devemos somar 273. Com isso obteremos a temperatura em graus kelvin.

Exemplo: 350 C = 350 + 273 = 623 K O zero absoluto de presso est relacionado com total ausncia de gases. Para obterem-se

valores absolutos de presso deve-se somar a presso manomtrica (indicada no manmetro) a presso atmosfrica do local. Embora esta varie com a altitude consideraremos 760 mm Hg; 14,7 Psi (libras-fora por polegada quadrada); 10,33 metros de gua por centmetro quadrado; etc.

2.4. Lei de Charles Quando mantida a presso constante, o volume de uma dada massa gasosa, varia diretamente

com sua temperatura absoluta. Todos os gases se expandem quando sua temperatura aumentada. O aumento de 1 C resulta na expanso de 1/273 do volume original do gs.

Matematicamente:

22

11

TV

TV

= ou V V x T

T2 1 2

1=

V1 e V2 = volumes nos estados 1 e 2.

2.5. Lei de Gay Lussac Quando mantido a volume constante, a presso de uma massa gasosa diretamente

proporcional temperatura. Matematicamente: PT

PT

11

22

=

P1 e P2 = Presses absolutas nos estados 1 e 2 T1 e T2 = Temperaturas absolutas nos estados 1 e 2.

2.6. Lei de Boyle Quando mantida temperatura constante o volume de uma massa gasosa inversamente

proporcional presso aplicada. Em outras palavras, o produto da presso pelo volume constante. Matematicamente: PP

VV

12

21

= ou P xV P xV1 1 2 2=

P1 e P2 = Presses absolutas nos estados 1 e 2 V1 e V2 = Volumes nos estados 1 e 2

2.7. Lei Geral Combinamos as trs leis dos gases podemos estabelecer, matematicamente uma lei geral

expressa por: P xV

TP xV

T1 1

12 2

2=

Onde P1, V1 e T1 so respectivamente a presso, volume e temperatura no estado 1 e P2, V2 e T2, a presso, volume e temperatura no estado 2.


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No esquecer que os valores de presso e temperaturas utilizados para clculos com as leis dos gases so expressos em valores absolutos.

Exemplo de Aplicao O volume de um gs, a temperatura inicial de 25 C medido presso atmosfrica acusou 350

m. Qual ser o volume desse gs medido a 370 C e depresso de 830 mm de coluna de gua? P1 = 10.333 mmca P2 = -830 + 10.333 = 9.503 mmca V1 = 350 m V2 = ??? T1 = 25 + 273 = 298 K T2 = 370 + 273 = 643 K 350 10 333

2982 9 503

643x V x. .

=

Resolvendo: V2 = 821,2 m

2.8. Condies Normais ou Standard Toda vs que nos referimos a volume de gases temos de especificar as condies de

temperatura e presso. Para simplificar esse processo, foram definidas as condies normais ou padro que representa pela maiscula N.

As condies normais so: Temperatura 0 C ou 273 K Presso: 760 mmHg ou 1 Atmosfera

Exemplo 1: 340 Nm = Trezentos e quarenta metros cbicos a 0 C e presso atmosfrica (760 mmHg) Simplificadamente: 340 Nm = trezentos e quarenta normais metros cbicos. Toda vez que nos referimos a volume de gs fora das condies normais, temos que

especificar as condies de temperatura e presso. Quando essas condies so suficientemente conhecidas, como por exemplo, na descarga do pr-aquecedor, simplificadamente dizemos que o volume se encontra nas condies atuais e representamos pela maiscula A.

Exemplo 2: 340 m = Trezentos e quarenta metros cbicos nas condies atuais de temperatura e presso.

3. Combusto

3.1. Introduo Denomina-se combusto reao qumica entre o combustvel e o oxignio que se processa

com liberao de luz e calor. As reaes como oxignio so denominadas, genericamente, oxidao. uma reao deste

tipo que mantm a temperatura do corpo humano. A combusto uma reao de oxidao violenta com liberao de grande quantidade de energia.

A combusto controlada fornece a energia trmica necessria para um grande nmero de equipamentos e processos industriais, do automvel nave espacial Colmbia, passando pelo forno de cimento.

Denomina-se combustvel a todo material capaz de liberar grande quantidade de energia atravs da combusto.

Chama-se comburente o elemento que participa da combusto, sem ser o combustvel. No caso do nosso estudo consideramos apenas o oxignio proveniente do ar.

A energia trmica obtida na queima de um combustvel liberada pela reao qumica entre carbono, hidrognio e enxofre, combinados no combustvel, com o oxignio do ar.

So muito importantes do ponto de vista da poluio os compostos formados entre o nitrognio e o oxignio em altas temperaturas, conhecidos pela forma simplificada de NOx. Do


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ponto de vista energtico esta reao no tem nenhuma representatividade, por esse motivo consideraremos em nosso estudo o nitrognio como inerte relativamente combusto.

3.2. Combusto Completa e Incompleta Na combusto completa h formao de gs carbnico, CO2, dixido de enxofre, SO2, e gua,

H20, segunda as reaes: C + O2 CO2 + 32.761 KJ/Kg (7.830Kcal/Kg) S + O2 SO2 + 9.247 KJ/Kg (2.210Kcal/Kg) 2H2 + O2 2 H2O + 14.1796 KJ/Kg (33.890Kcal/Kg) 2H2 + O2 2 H2O+ 12.0876 KJ/Kg (28.890Kcal/Kg)* *gua formada em fase de vapor Na ausncia de oxignio suficiente ocorre a combusto incompleta. Nesse caso o hidrognio

reage preferencialmente com o oxignio formando gua, porm o carbono queima o monxido de carbono, CO, segundo a reao:

2C + O2 = 2CO + 9205 KJ/Kg (2200Kcal/Kg) O CO um gs combustvel, altamente txico e forma com o oxignio misturas explosivas.

Da a necessidade de se manter todo o tempo combusto completa no forno. Infiltraes de CO no pr-aquecedor e/ou moagem de cru podem levar ps-combusto do CO no pr-aquecedor ou mesmo no interior do eletrofiltro, onde grande a incidncia de fascas, produzidas pela alta tenso aplicada entre os eletrodos e as placas coletoras.

Muitos acidentes tem ocorridos em eletrofiltros decorrentes de falhas no sistema de desligamento automtico dos mesmo quando existe CO nos gases, ou por indicao errnea do analisador de gases do forno.

Tem-se de considerar tambm o tempo de resposta do analisador, ou seja, o tempo, o tempo decorrente entre a existncia de CO nos gases e seu registro pelo instrumento, o que depende, em grande parte, da instalao dimetro de tubulaes, distncia entre a sonda e o analisador, vazo dos gs, etc.

Devido s consideraes acima, o desligamento automtico do eletrofiltro ajustado para concentraes de CO os gases inferiores a 1 % quando mistura explosiva mesmo com o ar, 21% de oxignio, se forma acima de 4%.

Em casos crticos de combusto incompleta o carbono liberado pela chamin, juntamente com os gases de combusto, observando-se ento a fumaa negra.

3.3. Energia na Combusto A quantidade de calor de combusto liberado quando o carbono queima a CO (2.200 Kcal/Kg)

inferior a 1/3 do calor liberado pela combusto completa (7.830 Kcal/Kg). Isto leva s seguintes concluses: imperativo para operao econmica de um forno de cimento que se mantenha a

combusto completa, ou seja, deve-se fornecer a quantidade de ar necessria para que todo o carbono queime a CO2; um procedimento definitivamente errado aumentar a vazo de combustvel quando

houver indicao de CO nos gases do forno.

3.4. Excesso de ar O oxignio necessrio combusto no forno de cimento proveniente do ar. Consideramos

nesse estudo que o ar compe-se de 79% de nitrognio, N2, e 21% de oxignio, O2, em volume. Isto significa que para cada volume de O2 necessrio temos que introduzir no sistema 5 volumes de ar.

Consideramos o N2 inerte no processo de combusto, porm, consome-se energia eltrica em ventiladores e exaustores para fora-lo atravs do forno e pr-aquecedor e energia trmica


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roubada ao sistema para aquecer o N2 entre 25C, temperatura ambiente, a 360C, temperatura dos gases na exausto.

Do exposto conclumos que a manuteno de um excesso de ar controlado to importante quanto vazo de combustvel para manter-se o sistema de calcinao em condies de operaes e obter-se razovel eficincia no uso do combustvel.

O excesso de ar na combusto pode ser calculado atravs da anlise dos gases deixando o forno, segundo as frmulas: Combusto Completa

o Frmula simplificada % excesso=100 O2, x K 21 - O2 o Frmula mais completa % excesso= 3,76 O2 . 1-(CO2 + 4,76 O2)/100

Pode-se notar facilmente que um valor bastante aproximado para o excesso de ar resulta da multiplicao da porcentagem de O2 nos gases da combusto por 5.

Sendo de extrema importncia para a operao do forno que seja mantida a combusto completa, no somente com respeito combusto, como tambm com relao formao dos compostos de clnquer. Mantm-se, na prtica, um excesso de ar em relao ao combustvel.

Os fornos de cimento so comumente operados entre 3% e 18% de excesso de ar correspondente a uma porcentagem de O2, nos gases deixando o forno entre 0,7% e 3,5%. Isto est indicado no Grfico 3.

Grfico 3: Excesso de ar em funo da porcentagem de oxignio

Dissemos que o CO forma-se devido deficincia de O2. No entanto deve-se levar em considerao que um forno de clnquer no apenas um processo de combusto. Devido geometria do forno, e do baixo tempo de permanncia dos gases nas zonas mais quentes, observa-se o aparecimento de CO ainda na presena de pequenas porcentagens de O2. Regra geral valores de O2 da ordem de 0,7% ou menores, j permitem detectar a presena de CO nos mesmos.

A boa pratica recomenda o controle do excesso de ar de combusto atravs de percentagem de CO nos gases uma vez que este pouco afetado por infiltraes de ar no sistema de coleta, acondicionamento e anlise dos gases dos analisadores contnuos. O teor de CO nos gases deixando


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o pr-aquecedor deve ser mantido menor que 0,5%.O percentual de O2 nos permite o controle das infiltraes de ar falso completamente indesejveis para eficincia do processo.

Na via seca convencional so comuns infiltraes no pr-aquecedor entre 10% e 15% de ar estequiomtrico para combusto. Na moagem crua e acondicionamento dos gases no so raros valores superiores a 30% para excesso de ar total, que deve ser transportado atravs do sistema e aquecido at a temperatura de exausto. Isto nos mostra por que importante manter as infiltraes de ar falso no mnimo possvel.

3.5. Combusto Primria e Secundria

Em fornos equipados com pr-calcinadores, at 60% do combustvel total poder ser queimado nos mesmos. Esse percentual varia com as caractersticas de cada instalao e deve ser mantido no mnimo que assegure condies estveis operao do sistema.

A combusto no pr-calcinador dita secundria e tem como caracterstica principal processar-se em temperaturas da ordem de 900C. Isto ocorre devido mistura ntima do combustvel com o material, possibilitando ao calor liberado ser imediatamente consumido na descarbonatao, no resultando em aumento sensvel de temperatura.

CaCO3 + 1644 KJ/Kg (393Kcal/Kg) CaO + CO2 Essa caracterstica permite a utilizao de combustveis com baixo poder calorfico ou baixa

temperatura de chama, tambm ditos combustveis menos nobres, tais como xisto, madeira in natura, lixo, etc, ou ainda combustveis no beneficiados, tais como pneus, carvo britado, etc.

A utilizao de combustveis menos nobres de importncia fundamental para a economia do processo e para o balano ecolgico da planta.

A combusto primria a que se processa na zona de queima ou zona de sinterizao e tem como principal objetivo aquecer a carga do forno em torno de 1450C, temperatura essa necessria complementao das reaes qumicas para formao dos compostos do clnquer, responsveis pelas propriedades do cimento. Isto justifica a utilizao de combustveis com elevado poder calorfico e ou beneficiados, de forma a apresentarem combusto rpida e temperatura de chama elevada, o que tambm significa maior custo por caloria.

O ar necessrio combusto secundria pode ser transportado pelo interior do forno, resultando nesse caso num considervel excesso de ar para a combusto primria e elevada velocidade dos gases no interior do forno. Quando a instalao utiliza percentual elevado de combusto secundria, evitam-se os produtos mencionados transportando-se o ar necessrio atravs de um duto independente paralelo ao forno. Isso contribui tambm para a reduo do investimento na instalao.

3.6. Combusto e Estabilidade Operacional

O operador deve ter em mente que a combusto parte muito importante o processo, no significando que condies timas para a combusto se traduzam em operao eficiente do forno. Boas condies de combusto so necessrias, porm no suficientes, para otimizao da operao.

importante lembrar que alm da combusto esto se processando, muitas reaes qumicas complexas, no interior do forno. Uma delas, a descarbonatao, influi na velocidade de avano do material, com efeito, decisivo sobre a estabilidade operacional.

A estabilidade operacional dos principais objetivos do operador. Em ordem de prioridade vem logo abaixo da segurana do homem e dos equipamentos.

de maior importncia manter o gradiente de temperatura do material em processo ao longo do forno e pr-aquecedor e por isso o operador , s vezes, obrigado a sair das condies ideais de excesso de ar para a combusto, de forma a influir na distribuio de calor ao longo do sistema. Os fornos dotados de pr-calcinao apresentam, desse ponto de vista maior flexibilidade, podendo distribuir o combustvel entre a combusto primria e secundria.


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Pequeno excesso de ar resulta em: Maior temperatura na zona de queima; Menor temperatura na cmara de entrada e pr-aquecedor; Maior eficincia na utilizao do combustvel.

Grande excesso de ar resulta em: Menor temperatura na zona de queima; Maior temperatura na cmara de entrada e pr-aquecedor; Menor eficincia na utilizao do combustvel.

Os ajustes de tiragem do forno no equipados com pr-calcinao, no devem ser feitos exclusivamente em funo do percentual do oxignio, O2, e monxido de carbono, CO, nos gases deixando o sistema. Devem ser consideradas as temperaturas da zona de queima, cmara de entrada e pr-aquecedor, bem como a potncia consumida no motor de acionamento do forno.

3.7. Composio dos Gases

O dixido de carbono, CO2, presente no gs deixando o sistema, proveniente em parte da combusto e em parte da decomposio do carbonato de clcio, segundo a reao:

CaCO3 CaO(s) + CO2(g) Podemos comprovar que, mantidas as mesmas vazes de ar e combustveis, podem haver

variaes muito grandes na percentagem de CO2 nos gases, correspondente ao aumento ou diminuio da taxa de descarbonatao. Isto reflete em perturbaes no leito de material do forno e, portanto, condies instveis de operao.

Quando o material penetra na zona de queima sem completar a descarbonatao, observa-se uma reduo sensvel no teor de O2 nos gases e, em alguns casos o aparecimento de CO. Caso possussemos um analisador para CO2 ele indicaria um aumento expressivo na concentrao desse gs, devido ao aumento brusco da taxa e descarbonatao.

Um indcio de que o forno est esquentando a zona de queima, aps um avano do material em processo, o aumento percentual de O2 nos gases, ao qual corresponde uma diminuio no percentual de CO2.

O percentual de CO2 nos gases encontra-se normalmente entre 22% e 30%. Quanto maior o excesso de ar usado menor a porcentagem de CO2 nos gases, por efeito de diluio. Deve-se operar o forno de modo a que nas fases contenham a percentagem mxima de CO2.

3.8. Substituio dos Custos

Anteriormente era usado apenas leo 2A para alimentao do forno, mas os custo do mesmo chegou a valores elevados que se fez necessrio substituio do leo por outras fontes energticas mais viveis. A opo adotada foi utilizao de um blend de combustveis slidos composto basicamente por moinha de carvo e coque. Com essa substituio consegui-se uma substancial economia operacional.

Os clculos seguem abaixo com base nos parmetros de 2006, foi considerado um consumo especfico do forno de 820 Kcal/Kg de clnquer, a produo de clnquer de 744876 t/ano, poder calorfico inferior do leo de 9400 Kcal/kg e o poder calorfico inferior do blend de 5400 Kcal/Kg.

leo 2A Preo por tonelada: R$ 900,00/t ou R$ 900/t = R$ 95,74/Gcal 9,4 Gcal/t Custo por tonelada de clnquer: 820Kcal/Kg clnquer X R$ 900,00/t = R$ 78,51/t clnquer 9400Kcal/Kg Custo anual: R$ 78,51/t clnquer X 744876 t/ano = R$ 58.480.214,76 / ano


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Blend Preo por tonelada = R$ 250,00/t ou R$ 250/t =R$ 35,71/Gcal 7,0 Gcal/t Custo por tonelada de clnquer: 820Kcal/Kg clnquer X R$ 250,00/t = R$ 29,29/t clnquer 7000Kcal/Kg Custo anual: R$ 29,29/t clnquer X 744876 t/ano = R$ 21.817.418,04 / ano

ECONOMIA: R$ 36.662.796,72/ ano

4. Emisso de SO2 e NOx em Fornos de Cimento

4.1. Introduo

Dixido de enxofre, SO2, e xido de nitrognio, NOx, emitidos para a atmosfera, forma respectivamente, cido sulfrico e cido ntrico que retorna para o solo na chuva. Esta chuva designada como chuva cida, que uma das mais srias ameaas para o meio ambiente.O efeito disto no solo torna-se evidente quando os lagos e florestas comeam a morrer e a deteriorizao da s construes tornam visveis.

Devido conscientizao ambiental e aos crescentes estudos nessa rea desenvolveram-se equipamentos para o controle e monitoramento de emisses de SOx e NOx e fez a legislao interessar por esse tpico. Hoje, todas as indstrias que se utilizam de combustveis fosseis como fonte de gerao de calor so foradas a reduzir as emisses de SOx e NOx, incluindo as cimenteiras. Vrios pases da Europa j tm definido os limite de emisso de NOx e a maior parte dos Estados Unidos, a Tabela 1 apresenta alguns desses limites.

Pases NOx (mg/Nm) Alemanha 500

Frana 1200 Sua 400 Japo 310 Itlia 425

Brasil * 560 Tabela 1: Limites de Emisso de NOx corrigidos para 10% de oxignio.

* Em Minas Gerais a emisso corrigida para 11% de oxignio. A contribuio demandada da industria de cimento pequena, comparada com outros setores

industriais.

4.2. Clculos dos Valores de emisso de NOx

H dois diferentes caminhos para medir os xidos de enxofre e ntrico, abordaremos os clculos do NOx, devido s concentraes das emisses de xidos de enxofre serem bastante reduzidas na indstria cimenteira.

A emisso pode ser medida por aparelhos que geralmente medir a concentrao volumtrica de uma amostra de gs podendo ser seca ou mida expressa em partes por milho, ppm. Freqentemente, considera-se o NOx como sendo apenas NO, devido a essa parcela representar 95% dos xidos de nitrognio emitidos. Apesar disto corriqueiro encontrar os resultados das emisses de NOx com mgNO2/Nm. A converso de ppm de NO para mgNO2/Nm realizada multiplicando a valor em ppm de NO por 2,05. A Tabela 2 apresenta outras unidades de medidas para emisso de NOx.


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1 ppm NO 1 x 10-6 Nm NO/ Nm (gs) ppm NOx ppm NO + ppm NO2

1 ppm NOx 2,05 mg NOx/ Nm (com NO2) Tabela 2: Converses de unidades para NOx

Para garantira a confiabilidade dos resultados, ou seja, que as anlises de gases da combusto esto com valores baixos de emisso e no haja diluio com gs ambiente, ar falso, fixado o valor de oxignio em porcentagem por volume de gs para padronizao do resultado. No caso de Minas Gerais esse valor fixado em 11% de O2. Com isso calculado um fator que ir multiplicar o resultado da emisso. Esse fator :

Fator = 20,95 - O2 fixado 20,95 - O2 medido

Exemplo 1: Sendo O2 medido nos gases de 9%, qual ser o fator de correo?

Fator = 20,95 11 = 9,95 = 0,83 20,95 9 11,95

Exemplo 2: Qual o valor de NOx corrigido na cmara de entrada no forno a 2% de O2 e 500 ppm de NOx

na sada da chamin.

NO11% = NO medido x Fator NO11% = 500 ppm x 20,95 11 = 9,95 = 500 ppm x 0,525 = 262,5 ppm 20,95 2 18,95

NO11% = 262,5 ppm x 2,05 = 538,1 mgNOx/ Nm

4.3. Reaes trmicas de NO

NOX trmico dominante na chama do forno

N2 + O. NO + N superior a 1400C N. + NO N2 + O.

NOX do combustvel dominante no calcinador

N. + O2 NO + O. entre 800C e 1400C N. + NO N2 + O.


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4.4. Fatores importantes que contribuem para formao de NOx

No Forno

Ar de Excesso NOx

Temperatura do Ar Secundrio

NOx

Difcil aptido de calcinao da Farinha

NOx

.

Fcil aptido/ Menor temperatura Chama

NOx

No Calcinador

Ar de Excesso NOx

Volteis no Combustvel NOx

Contedo de N2 no combustvel

NOx

.

Temperatura do Ar Tercirio

NOx

Alm da importncia ambiental o controle do NOx um importante fator para monitorar a temperatura da chama. O aumento do NOx em um forno proporciona : Aumento na zona de queima; Reduo da variao do cal livre; Reduo do momento do forno.

5. Reaes para Formao de Clnquer 5.1. Introduo A reao de combusto do leo Combustvel com o oxignio do ar pode ser expressa por:

C (s) + O2(g) CO2(g) + 7.830 cal/g. uma tpica reao exotrmica, libera calor, porm para que se inicie necessrio adicionar-

se uma pequena quantidade de calor, caso contrrio, o leo fica em contato com o oxignio do ar indefinidamente, sem liberar a caloria de 7.830 cal/g.Este calor adicionado chamado de energia de ativao da reao qumica acima.

Existe outro grupo de reao qumica, as endotrmicas, que s ocorrem com absoro de calor. Uma vez eliminado este calor a reao para. o caso do cozimento dos alimentos. O po que est assando num forno a gs; interrompe-se a reao do cozimento do amido quando acaba o gs.

Da mesma forma a reao de descarbonatao do calcrio requer caloria para sua realizao. CaCO2(s) CaO(s) + CO2(g) - 393 cal/g

Diz-se que a reao absorve 393 calorias por grama de carbonato de clcio.


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Na reao da clinquerizao utilizam-se diferentes matrias primas, cada uma tem propriedades intrnsecas, que vo gerar condies distintas da operao do forno, com caractersticas prprias do clnquer.

5.2. Evaporao da gua Livre A evaporao da gua livre ocorre em temperaturas abaixo de 100 C. Praticamente toda essa

gua das matrias primas evaporada na moagem crua. H2O(l) 100C H2O(g) 100C - 539,6 cal/g

A umidade da farinha deve ser inferior a 1 % na alimentao do forno. Esta gua eliminada quando a farinha alimentada no primeiro estgio dos ciclones.

5.3. Decomposio do Carbonato de Magnsio A decomposio da Dolomita

em MgO e CO2 tem incio em 340 oC, porm, a medida que o teor de clcio aumenta , tambm se eleva a temperatura de decomposio.

MgCO3(l) 340C MgO(s) + CO2(g) - 270 cal/g Como pequena a percentagem de carbonato de magnsio na mistura crua; a zona especfica

em que se processa esta reao no de muita importncia para nosso estudo. O MgO liberado vai dissolver-se na fase lquida, formada durante a queima e em parte formar solues slidas com as fases mais importantes do clnquer.

Na temperatura de clinquerizao o MgO no se combina com os demais xidos presentes, ficando livre na forma de Periclsio.

5.4. Desidroxilao das Argilas As primeiras reaes de formao do clnquer iniciam-se em 550 C, com desidroxilao da

frao argilosa da farinha.A argila perde a gua combinada, que oscila entre 5 e 7 %, dando origem a silicatos de alumnio e ferro altamente reativos com o CaO que est sendo liberado pela decomposio do calcrio.

A reao entre os xidos liberados da argila e o calcrio, lenta a princpio e os compostos formados contm pouco CaO fixado. Com o aumento da temperatura a velocidade da reao acelera e os compostos enriquecem em CaO.Essa reao tem pouco interesse porque consomem pouca energia e se processam em pequena escala.

5.5. Decomposio do Carbonato de Clcio Esta reao tem incio em temperatura acima de 805 oC, sendo 894 oC a temperatura crtica

de dissociao do carbonato Clcio puro a 1 atmosfera de presso. CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) - 393 Cal/g T = 894

o C


22

A reao de descarbonatao uma das principais para obteno de clnquer, devido ao grande consumo de energia necessria sua realizao e influncia sobre a velocidade de deslocamento de material no forno.

Cerca de 60% da descarbonatao ocorra no pr-aquecedor, principalmente nos ciclone IV e torre Piroclon. Os 40% restantes ocorrero no interior no forno. imprescindvel que a descarbonatao esteja completa para que o material penetre na zona de queima.

5.6. Formao do C2 S

A formao do C2S tem incio em temperatura de 9000C onde mesmo slica livre e CaO j reagem lentamente. Na presena de Ferro e Alumnio esta reao acelerada.

2CaO + SiO2 1200C C2S

Esta reao ocorre com maior velocidade e completamente a 1200 0C.Existem varias formas cristalinas de C2S e de baixa temperatura e de alta temperatura.

5.7. Formao do C3A e C4 AF Em fases puras de CaO, Al2O3 e Fe2O3 o primeiro composto de ferro a se formar C2F a

800C, seguido pelo aparecimento de CF entre 900C e 1000C. A formao do C4AF ocorre em faixas de temperatura entre 1100C e 1250C. Nas misturas

com slica presente tem-se observado as mesmas evidncias e tambm a presena de C2AS entre 1000C e 1100C e a formao do C3A e C4A F comeam em temperaturas pouco menores do que na mistura ternria.

O composto C2AS - Genlenita inicia sua formao em 900C e comea a decompor-se em 1100C. O sal duplo 2C2S.CaCO3 - Spurrita tambm pode ser formar conjuntamente e so os principais componentes de colagem de torre e incio de forno.

O composto C12A7 observado entre 900C e 1100C e se converte em C3A acima de 1100C.

5.8. Formao do C3S Silicato Triclcico inicia sua formao entre 1200C e 1300C a 1400C os produtos de reao

so C3S, C2S, C3A e C4AF e o restante da Cal no combinada. C2S + CaO1260C a 1450C C3S


23

A primeira formao do lquido ocorre entre 1250C e 1280C . A formao do C3S no tem incio em aprecivel extenso, exceto quando a fase lquida est presente. A reao se completa entre 1350C e 1450C, quando a Cal livre remanescente tende a ser pequena ( 1% ).

5.9. Primeiro Resfriamento A complementao das reaes de clinquerizao podem ser afetadas pelo resfriamento

sofrido pelo clnquer. Um resfriamento lento leva a um cimento de baixa qualidade. O primeiro resfriamento ocorre dentro do forno, aps o clnquer passar pela zona de mxima temperatura. A temperatura ideal de descarga no resfriador de 1200C.

Nesta etapa pode ocorrer a decomposio do C3S segundo a reao : C3S C2S + CaOlivre Ou a recristalizao do C2S, belita secundria digitada de baixa reatividade. A fase lquida

comea a solidificar-se no primeiro resfriamento.

5.10. Segundo Resfriamento O segundo resfriamento ocorre abaixo de 1200 C, j no resfriador de clnquer, dependente da

velocidade que se processa os cristais de C3A e C4AF crescero, gerando uma fase muito cristalina. Este resfriamento lento tambm provoca uma maior corroso dos cristais de C3S pela

penetrao desta fase nas bordas dos cristais, auxiliando a formao de C2S secundrio. O magnsio no combinado ter sua cristalizao nesta etapa. Quanto mais lento for o

resfriamento, maior ser o desenvolvimento dos cristais de periclsio, aglutinando-se em zonas. Dependendo da forma e posicionamento da chama e das condies do resfriador pode-se obter

um rpido resfriamento do clnquer que afetar o clnquer nas suas qualidades, a saber: Clnquer mais fcil de moer; Maior percentagem de C3S; Diminuio dos cristais de Periclsio; Menor contedo de Cal livre secundrio; Maior reatividade; Menor expanso do cimento.

5.11. Determinao das fases do Clnquer As fases do clnquer ou sua composio mineralgica no so determinveis diretamente por

via qumica.A via usual para determinao direta dos componentes mineralgicos do clnquer atravs de observao, com auxlio do microscpio metalogrfico.

Normalmente determinados anlise qumica do clnquer em termos dos xidos do Silcio, Alumnio, Ferro, Clcio, etc., e partindo desses valores utilizamos frmulas desenvolvidas com base no equilbrio qumico, existente na temperatura da clinquerizao.


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As formas de clculo, que demos a seguir so preconizadas pela ASTM C 150 - 82 e desenvolvidas por Bogue. So vlidas para relao A/F > 0,64, que o caso comum de clnqueres produzidos comercialmente. Para mdulos de alumnio menores do que 0,64, forma-se o composto CF2(CaO.2 Fe2O3) que exige clculos diferentes dos apresentados.

C3S = 4,071 CaO - 7,600 SiO2 - 6,718 Al203 - 1,430 Fe2O3 - 2,852 SO3 C2S = 2,867 SiO2 - 0,7544 C3S

C3A = 2,650 Al2O3 - 1,692 FeO3 C4AF = 3,043 Fe2O3

O Sulfato de Clcio de Cal livre e os xidos de Magnsio, Sdio e Potssio no constituem fase do clnquer e so expressos parte. O sulfato de clcio calculado a partir da determinao de SO3, no considerado a parte deste combinado com os Alcalis (Sdio + Potssio).

Sulfato de Clcio = 1,7 x SO3 Os xidos de sdio e Potssio so comumente expressos sob a forma nica do xido de sdio

equivalente. Isto d origem ao Equivalente lcalis, calculado segundo a relao: E.A. = Na2O + 0,658 x K20 Comumente verificam-se os desvios entre a composio mineralgica de um clnquer e a

composio percentual. Por isso a composio calculada dita potencial. Isto quer dizer que um clnquer com composio qumica definida pode potencialmente atingir a composio mineralgica calculada, dependendo das condies de granulometria e homogeneizao da mistura crua, tempo e temperatura de clinquerizao e resfriamento.

Ainda assim o clculo da composio potencial de grande valor na caracterizao de um clnquer, porque permite estimar suas propriedades e estabelecer comparaes, nem sempre claras quando utilizamos apenas a composio qumica.

5.12. Termoqumica da Calcinao Os calores absorvidos ou liberados nas reaes clinquerizao esto listados na Tabela 3.

Temperatura Processo Calor Trocado 100C Evaporao da gua livre (umidade) Endotrmico 340C Decomposio do Carbonato de Magnsio Endotrmico

Desidroxilao da Argila Exotrmico 550C Reao do SiO

2, Al 2O 3 e Fe 2O 3 com o Calcrio Exotrmico 305C a 1000C Decomposio do Carbonato de Clcio Endotrmico 1000C a 1200C Formao do C

2S, desaparecimento do SiO 2 livre Endotrmico 1250C a 1280C Incio da formao de lquido Endotrmico

1400C a 1450C Complementao da formao de C

3A e C 3AF Desaparecimento de CaO livre por reao com o C

2S, para formar o C

3S

Endotrmico

Tabela 3: Principais reao na fabricao do Clnquer


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Os calores de reao para cada etapa do processo so compostos de tal forma a dar o balano trmico que foi apresentado anteriormente. Como vimos gua livre requer a 100 C 539cal/g para evaporizao. O calor absorvido para a desidroxilao da argila caolimitica 262 cal/g, porm libera e 900 C a 950 C 72cal/g devido recristalizao. Tambm j vimos que o CaCO3 consome 393 cal/g a 850 C e a consumao do MgCO3 de 270 cal/g a 590C.

A formao dos compostos de clnquer consome pouca caloria e os principais valores da formao a 1300 C so:

2CaO + SiO2 C2S 146 cal/g 3 CaO + SiO2

C3S - 111 cal/g 3 CaO + Al2O3

C3A - 21 cal/g 4CaO + Al2O3 + Fe2O3 C4AF - 25 cal/g

Pode-se expressar o calor necessrio para a formao de 1Kg de clnquer a partir de 1,55Kg de farinha pela Tabela 4, assumindo-se valores aproximados. O calor lquido necessrio ser 420 Kcal/Kg de clnquer. Este valor no assume perdas e ser discutido em transmisso de calor em fornos, onde se assumiu que a eficincia do processo de 50%.

Calor Absorvido - Reaes Endotrmicas Kcal/Kg Aquecimento da matria prima de 200C a 4500C + 170

Desidroxilao de argilas a 4500C + 40

Aquecimento do material de 450C a 9000C + 195 Decomposio do material carbontico + 475 Aquecimento do material carbontico de 9000C a 14000C + 125 Calor de Fuso + 25

Sub Total 1.030

Calor Liberado Reaes Exotrmicas Kcal/Kg Cristalizao Exotrmica de argilas desidratadas - 10 Calor Exotrmico da formao de componentes do Clnquer - 100 Resfriamento do Clnquer de 14000C a 200C - 360

Resfriamento do CO2 de 9000C a 200C - 120

Vapor de resfriamento de 4500C a 200C, incluindo a condensao da gua - 20 Sub Total - 610

Calor Lquido + 420 Tabela 4: Calor Liberado e Absorvido na Fabricao de 1Kg de Cimento


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6. Transmisso de Calor no Forno

6.1. Introduo sempre um grande desafio utilizar energia trmica eficientemente. O calor o ltimo estgio

de todas as modalidades de energia, que sob essa forma se dissipa no universo. Conseguimos facilmente eficincia superior a 90% quando transformamos energia mecnica

ou eltrica em trabalho til, grande parte da complementao para 100% se dissipa sob forma de calor. No entanto, esta eficincia cai muito quando lidamos com calor.

So teoricamente necessrias 420 Kcal para produo de 1 Kg de clnquer. No entanto os fornos mais eficientes, da atualidade, no conseguem consumo especfico igual ou inferior a 700 Kcal, o que significaria uma eficincia trmica de 60%.

O forno via seca convencional, equipado com pr-aquecedor de 4 estgios, apresenta consumo especfico entre 800 a 850 Kcal, correspondendo eficincia de 50%. Dependendo da operao, o consumo especfico pode ultrapassar a 900 Kcal reduzindo drasticamente a eficincia.

Os valores apresentados e o custo cada vez mais elevado dos combustveis tornam indispensvel o conhecimento dos mecanismos das trocas trmicas, e como se aplicam ao forno de cimento, para que possamos nos aproximar da maior eficincia permitida pelo nosso equipamento.

Os primeiros fornos utilizados na produo de clnquer eram verticais, semelhantes aos ainda hoje usados para produo de cal. Fornos desse tipo, sem sequer recuperao de calor do clnquer, seriam economicamente inviveis atualmente. Nessa mesma perspectiva se encaixa o processo mido, com expresso cada vez menor na produo de clnquer.

6.2. Princpios da Transmisso de Calor O calor ser transferido de um corpo a outro, desde que entre eles exista uma diferena de

temperatura. A direo do fluxo de calor sempre da maior para a menor temperatura, ou seja, do corpo quente para o corpo frio.

A diferena de temperatura representa para a transferncia de calor o mesmo que a diferena de nvel para a transferncia de lquidos.

importante frisar a diferena entre calor e temperatura. O calor uma forma de energia que se manifesta numa massa atravs da temperatura. Assim,

o primeiro causa e o segundo efeito. Se aplicarmos a mesma quantidade de calor a duas quantidades de gua, sendo uma o dobro

da outra e mesma temperatura inicial, a massa menor sofrer uma variao de temperatura duas vezes superior massa maior, no considerando possveis perdas. Podemos ainda afirmar que no final o contedo calorfico da maior massa superior ao da menor, ainda que esta apresente temperatura mais elevada.

So trs os mecanismos de transferncia de calor: Conduo: a transferncia de calor de um corpo a outro mediante contato.Quando

seguramos o cabo de um garfo e chegamos a ponta a uma chama, sentimos o cabo aquecer-se devido conduo de calor atravs do garfo.


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Conveco: o mecanismo de transferncia dominante em fludos, mediante as correntes de

conveco. Quando colocamos uma panela com gua no fogo, aquece-se inicialmente a gua do fundo que se torna menos densa e sobe. A gua mais fria da superfcie toma o seu lugar e o processo continua, formando-se as

correntes

de

conveco e disseminando o calor no seio da massa lquida. Radiao: o mecanismo de transferncia atravs de ondas de calor, sem necessidade de

contato. sob forma de radiao que recebemos calor do sol. Este tambm o mecanismo de transferncia de calor dominante na zona

de sinterizao e o maior responsvel pelas perdas de

calor do sistema. A transferncia de calor por radiao proporcional diferena entre as quartas potncias das

temperaturas absolutas do corpo quente

e do corpo

frio. Isto explica a importncia de operar o forno com a mais alta temperatura de chama possvel.

Na prtica encontramos os trs mecanismos de transferncia de calor envolvidos em uma mesma troca trmica, podendo, entretanto haver predominncia de um deles.

6.3. Transmisso de Calor Os modernos sistemas de calcinao so constitudos por um pr-aquecedor em suspenso, o

forno e o resfriador.

6.3.1. Pr-aquecedor O pr-aquecedor possui uma ou duas torres de ciclone interligado por dutos para os gases e

materiais. Os pr-aquecedores podem ser ainda equipados com pr-calcinadores, onde se processa a combusto secundria. Esse processo permite a construo de fornos curtos, com menor superfcie de perda de calor por radiao e, conseqentemente, mais eficientes.

Existem dois modelos bsicos de pr-calcinador. Um deles representado na Figura 1 um reator, semelhante ao ciclone, funcionando sob conveco forada. O outro aumenta a seo e/ou comprimento do duto de gases, obtendo com isso o aumento do tempo de reteno, necessrio complementao da combusto tipo Piroclon representado na Figura 2.

Figura 1: Forno com Pr-calcinador e Duto de ar Tercirio


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Figura 2: Forno equipado com calcinador Multiciclone de 4 Estgio

Modernamente so mais utilizados os resfriadores alternativos de grelhas, tipo Fuller, ou de grelha contnua, tipo Recupol e o resfriador tipo Satlite. Os resfriadores de Grelhas permitem a instalao de uma tomada de ar intermediria para a combusto secundria, resultando em maior recuperao de calor do clnquer e, portanto maior eficincia na utilizao da energia trmica, Figura 2. Consomem, entretanto, mais energia eltrica.

As Figuras 1 e 2 mostram o circuito de gases e de material desde a alimentao no pr-aquecedor, at a recuperao do calor do clnquer no resfriador, onde podemos notar que os gases e material deslocam-se em direes opostas, ou seja, em contra-corrente.

A Figura 1 mostra um forno equipado com pr-aquecedor em suspenso de quatro estgios, convencional. Na Figura 2 destaca-se o pr-calcinador, e o duto externo para transporte de ar tercirio.

No pr-aquecedor processa-se o aquecimento e descarbonatao parcial da farinha alimentada, atravs do contato ntimo da mesma com os gases quentes provenientes do forno.

O tempo de permanncia da farinha no pr-aquecedor inferior a 30 segundos. Mesmo assim sua temperatura ultrapassa a 800oC, alcanando descarbonatao em torno de 41%, ao atingir o forno.

A troca trmica entre os gases e a farinha mais efetiva no pr-aquecedor (torre), que na maior parte do forno, e se passa principalmente nos dutos, 80%. Apenas 20% da troca trmica se passa nos ciclones, por ocorrer neles a separao entre os gases e farinha, o que permite esta ltima alcanar o forno.

Os ciclones da parte superior da torre so mais eficientes na separao entre farinha e gases, sendo os ciclones do 1o estgio duplos, para permitir uma relao mais favorvel entre dimetro e comprimento, com o que a eficincia no despoeiramento aumentada sensivelmente. Ainda assim, cerca de 6% da farinha alimentada arrastada nos gases que deixam o sistema.


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O valor limite para descarbonatao em pr-aquecedores convencionais de 45%. Em valores mais elevados a temperatura dos gases deixando o sistema seria excessivamente alta e a perda de calor tornaria o processo anti-econmico. Alm disso, seriam necessrias temperaturas superiores a 1.200oC para os gases penetrando na torre, acarretando srio problema de colagens.

Em torres dotadas de pr-calcinadores e descarbonatao da farinha pode ultrapassar 90%. Sendo o calor gerado pela combusto secundria imediatamente consumido na descarbonatao, no se manifesta em sensvel aumento de temperaturas.

Devemos lembrar que a determinao do grau de descarbonatao deve levar em conta a mistura do p recirculado do forno, quase completamente descarbonatado.

6.3.2. Forno Consideremos o forno dividido em duas zonas distintas para estudarmos as trocas trmicas no

seu interior. A zona de calcinao, onde se complementa descarbonatao da farinha e seu aquecimento at a temperatura de sinterizao e a zona de sinterizao, ou simplesmente zona

de

queima, onde se processa a clinquerizao. Zona de Calcinao Aqui o material parcialmente fluidizado, pela evoluo do gs carbnico, avana em zigue-

zagues devido rotao, com muito pouco tombamento. O leito de material escorrega no revestimento refratrio, enquanto o forno gira,

apresentando a mesma superfcie aos gases quentes. Este fato aliado baixa densidade do material e tambm relativamente baixa temperatura dos gases, torna muito lenta a transferncia de calor na zona de descarbonatao.

medida que o material avana torna-se maior a diferena entre sua temperatura e a temperatura dos gases. Isto deve ser lembrado uma vez que, para o controle do processo, medimos a temperatura dos gases em diferentes pontos do sistema.

Os gases irradiam calor para o revestimento e da ao material por conduo e radiao. Muito pouco do calor transferido diretamente dos gases para o material, fazendo necessrio um longo perodo de aquecimento prvio nas partidas.

preciso que o pr-aquecimento do forno seja lento, de forma a estabelecer-se o equilbrio entre as temperaturas dos gases e do revestimento na zona de calcinao. Na Figura 3 podemos avaliar a evoluo da temperatura dos gases e do material ao longo do forno.


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Figura 3: Perfil de Temperatura no Interior do Forno

Zona de Queima Aqui o calor transmitido carga essencialmente por radiao da chama e da colagem. Sendo

a temperatura de clinquerizao sensivelmente constante, a temperatura da chama influi consideravelmente na transferncia do calor.

A temperatura da chama depende do excesso de ar e velocidade da combusto. Quanto menor o excesso de ar e maior velocidade de combusto, mais eficiente ser a troca trmica na zona de queima.

Na zona de queima o material torna-se pegajoso e granulado devido formao de lquido. Isto provoca o tombamento em cascata, expondo sucessivamente superfcies diferentes radiao da chama.

Na Figura 3 podemos observar um rpido aumento na temperatura do material quando penetrando na zona de queima. Isto se justifica porque a reao de clinquerizao se passa com liberao de calor que absorvido pelo material.

A reao exotrmica torna possvel a operao do forno, porm a passagem de uma reao altamente endotrmica, calcinao, para outra exotrmica, clinquerizao, torna esse ponto especialmente delicado para o controle da operao. Se falharmos em obter, no ponto correto, a temperatura mnima para que s inicie a clinquerizao, o material avanar incontrolavelmente atravs da zona de queima.

Aps atingir uma temperatura mxima, em torno de 1.450oC, o clnquer esfria at cerca de 1.250oC e cai no resfriador.

A Figura 4 mostra a seo transversal do forno na zona de queima com as temperaturas em diversos pontos da colagem e do material. Os pontos mais altos esto na superfcie livre e na parte inferior do talude.


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Figura 4: Temperatura na Seo Transversal da Zona de Queima

A crosta perde calor para o material quando passa sob o mesmo, esfriando-se. Ao sair de sob o talude, a crosta fica exposta radiao da chama e se aquece at novamente penetrar sob o talude, na parte inferior do forno. Nesse ponto a crosta atinge a temperatura mxima. Observamos uma diferena entre a temperatura mxima e mnima da crosta cerca de 200C. Essa diferena depende do grau de enchimento e velocidade do forno.

Velocidades de forno mais elevadas so favorveis transferncia de calor e, conseqentemente, maior eficincia no uso do combustvel. Em velocidades mais elevadas do forno, diminui a diferena entre as temperaturas mxima e mnima da crosta para uma mesma temperatura mdia. A reduo da temperatura mxima favorece a formao da colagem.

6.3.3. Resfriador O resfriador tem duas funes distintas com respeito s trocas trmicas: Recuperar a maior parte do calor do clnquer retornando-o ao forno atravs do ar

secundrio. Em um dado instante, o ar secundrio responde por cerca de 30% do calor alimentado no forno. Realizar o resfriamento adicional do clnquer para facilitar seu manuseio e operao de

moagem. O calor envolvido nessa operao pode ser descartado para a atmosfera ou utilizado na secagem de matrias primas, carvo etc.

No resfriador de grelhas o ar injetado sob as mesmas, atravessa o leito de clnquer, aquece-se temperatura de 700 a 1.000oC e passa ao forno para participar da combusto. muito importante para a economia do processo que seja recuperada a maior parcela possvel do calor do clnquer, o que equivale a mais alta temperatura para o ar secundrio.

A temperatura do ar secundrio ser tanto mais elevada quanto maior o tempo de contato do ar com o leito de clnquer, da concluirmos a importncia de operar o resfriador com uma camada de clnquer espessa e uniforme.


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6.4. Distribuio do Calor fundamental para operao estvel, a manuteno do gradiente de calor ao longo de todo o

sistema de calcinao. Para tanto o operador dispe dos seguintes recursos: Combusto primria e secundria; Comprimento da chama; Excesso de ar.

6.4.1. Combusto Primria e Secundria O operador poder alterar a proporo de combustvel queimado no maarico principal,

primrio, e no pr-calcinador, secundrio. Deve-se levar em conta que o combustvel secundrio deve ser o mnimo compatvel com o equilbrio de operao.

6.4.2. Comprimento da Chama Influindo sobre a velocidade da combusto primria o operador poder obter uma chama mais

curta, com maior transferncia de calor por radiao carga, ou uma chama mais longa e branda que favorea no deslocamento do calor mais para as zonas frias do forno.

6.4.3. Excesso de Ar Pequeno excesso de ar produz chama com temperatura elevada, favorecendo a transferncia

de calor na zona de queima. Grande excesso de ar favorece o transporte de calor para as zonas frias do forno.

6.5. Perdas de Calor Vimos que a eficincia trmica do forno de cimento est em torno de 50%. Vejamos agora,

segundo Duda, como se distribui o calor aplicado em um forno equipado com pr-aquecedor de quatro estgios e resfriador de grelhas.

Item Especificao Kcal/Kg % 1 Calor terico necessrio 415 55,3 2 P nos gases residuais 3 0,4 3 Evaporao dgua 5 0,7 4 Gases residuais 150 20,0 5 Ar residual do resfriador 78 10,4 6 Radiao e conveco com o clnquer 34 4,5 7 Forno e cabeote 37 5,0 8 Pr-aquecedor 25 3,3 9 Resfriador 3 0,4

TOTAL 750 100.0


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Esse mesmo balano condensado em quatro grupos tpicos do processo se apresenta no quadro seguinte:

Grupos Kcal/Kg % 1 Consumo quase constante: Calor terico necessrio P nos gases residuais Evaporao da gua 423 56,4

2 Perdas em torno do forno: Radiao 37 5,0

3 Perdas em torno do pr-aquecedor: Radiao Gases residuais 175 23,3

4 Perdas em torno do resfriador: Ar Residual

Clnquer

Radiao 115 15,3 TOTAL 750 100,0

Ambas as tabelas esto baseadas num consumo especfico ideal do 750 kcal, o que no se verifica sob condies reais de fbrica. No entanto os valores so comparativos entre si e alertam para a importncia das perdas com os gases de combusto, 20%, e o ar residual do resfriador, 10,4%. Na operao do forno, esses valores so mais elevados e respondem pela diferena entre o valor timo de 750 kcal/kg e o real, entre 800 a 850 kcal/kg.

Nessa faixa atua o operador do sistema visando a economicidade do processo.


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6.6. Resumo do Balano de Calor Real do Forno com 4 Estgios de Ciclones com Resfriador de Grelhas e Duto de Ar Tercirio

6.6.1. Entrada Itens - Base 1 Kg/ Clnquer Kcal/Kg

Farinha 19,41 gua da Farinha 0,47 Carvo 1,05 gua de Carvo 0,05 Madeira 0,60 gua de Madeira 0,75 Ar para Queima 10,31 Calor Liberado pelo Carvo 633,95 Calor Liberado pela Madeira 177,55 TOTAL 844,14

6.6.2. Sadas ITENS (Base 1 Kg/Cl) Kcal/Kg

Clinquer 20,40 Co2 93,42 O2 133,42 N2 32,66 Calor reao 422,00 Perdas por radiao 35,74 Pr-aquecedor 24,08 Forno 24,08 Resfriador 9,79 Duto de Ar tercirio 5,07 Farinha dos gases 7,63 gua de umidade 5,15 (farinha + ar) Exausto do resfriador 53,30

TOTAL 842,66 Diferena = 0,17 %

Obs.: As umidades dos combustveis esto corrigidos no PCIc.


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6.7. Operao Eficiente Relacionamos a seguir algumas normas que auxiliaro o Operador a aproximar-se, o mais

possvel da mxima eficincia permitida pelo nosso equipamento: Obter e manter condies de operao estveis para o sistema, esta so a principal tarefa do

operador; Operar o sistema o mais prximo possvel de sua capacidade mxima; Operar o resfriador de forma que a temperatura do ar secundrio seja a mxima possvel; Obter a mais curta zona de queima, compatvel com a operao estvel; Evitar operao com chama longa; Manter boas condies de combusto, evitando ar em excesso ou combusto incompleta.

7. Formao de Colagem e Anel

7.1. Introduo O conhecimento dos mecanismos de formao e dissoluo de colagens na zona de

sinterizao fundamental para que o operador possa influir positivamente no processo, aumentando consideravelmente a vida til dos refratrios.

Com o advento da pr-calcinao, poderosa ferramenta foi posta disposio do Operador permitindo-lhe reduzir a carga trmica na zona de sinterizao e maior domnio do processo com reflexos positivos sobre a estabilidade da colagem e durabilidade de refratrios. verdade tambm que fornos convencionais adaptados pr-calcinao, tem de ser operados cuidadosamente para inibir a tendncia formao de anis de p, anis de boca, e a exagerada sensibilidade a balano desfavorveis Enxofre/lcalis com dramtica influncia na formao de anis de sulfatos nas zonas frias do forno e incrustao generalizadas na Cmara de entrada e pr-aquecedor.

A opo da indstria Cimenteira Nacional na regio sul pelo Carvo Energtico, com at 2,5% de Enxofre, define clara tendncia ao predomnio deste. Somente a operao do forno dentro de parmetros muito estreitos permite contornar essas inconvenientes sem freqentes e onerosas paradas do sistema para remoo de incrustaes ou desobstruo de dutos e ciclones no pr-aquecedor.

Passamos agora a discusso dos mecanismos envolvidos nesta problemtica e ao estabelec

teoria da fabricação de cimento.pdf

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