Modelagem matemática de um forno rotativo empregado na produção de clínquer

Mathematical modeling of a rotary kiln employed in the clínker production

D. C. Q. Rodrigues^I; A. P. Soares Jr^II; E. F. Costa Jr^I A. O. S. Costa^I

^ICurso de Engenharia Química, Universidade Federal do Espírito Santo - CCA/UFES, Campus de Alegre, Alto Universitário, Guararema, ES 29500-000. [e-mail], [e-mail], [e-mail]

^IIFábrica de Cimento Nassau, Cachoeiro de Itapemirim, ES. [e-mail]

RESUMO

Uma das principais etapas do processo de obtenção do cimento é a etapa de clinquerização, que ocorre dentro do forno rotativo. Em pleno funcionamento, o forno rotativo empregado na produção de cimento é alimentado basicamente de matéria-prima, combustível e ar. As vazões de saída são, basicamente, o clínquer e aos gases de combustão. Neste estudo, o processo de produção de clínquer por via seca é analisado, sendo a alimentação composta por 80% a 95% de calcário, 5% a 20% de argila e por pequenas quantidades de minério de ferro. O combustível empregado neste estudo é o carvão mineral. Os principais fenômenos envolvidos na obtenção do clínquer são a evaporação da água livre residual da matéria-prima, a decomposição do carbonato de magnésio, a descarbonatação, a formação da fase líquida do C₃A e do C₄AF, a formação do silicato dicálcico e a formação do silicato tricálcico. O objetivo principal deste estudo é a proposta de um modelo matemático que descreve o processo de obtenção do clínquer no forno rotativo. O modelo, composto por equações algébricas, foi desenvolvido por meio de balanços de massa e energia do forno. A modelagem foi implementada em linguagem de programação, empregando-se um programa comercial. A condição operacional considerada representa uma condição média adotada na indústria. O modelo proposto se mostrou satisfatório para a descrição do processo de clinquerização, sendo especialmente útil na realização da análise da demanda energética do equipamento.

Palavras-chave: cimento Portland, forno rotativo, modelagem matemática, análise energética.

ABSTRACT

An important stage of the cement production is the clinkerization process that occurs in the rotary kiln. Basically, the inputs of this equipment are the raw material, the fuel and the air. The output flows are basically the clinker and the combustion gases. In this study, the clinker production process by the dry process is analyzed. The considered feed of the rotary kiln is composed by 80% to 95% of lime, 5% to 20% clay and small quantities of iron ore. The fuel used in this study is coal. The main phenomena of the analyzed process are: water evaporation the residual free of the raw material, decomposition of magnesium carbonate, the carbon removal, the formation of the liquid phase C₃A and C₄AF, the formation of dicalcium silicate and formation of tricalcium silicate. The main objective of this study is to propose a mathematical model that describes the production process of the clinker in the rotary kiln. The algebraic model proposed was developed considering the mass and the energy balances of the system. The model was solved using a commercial program (Mathcad). The operational condition considered represents a typical condition adopted in the industry. Theobtained results describesthe analyzed systemsatisfactorily, especially the energy demand of the equipment.

Keywords: Portland cement, rotary kiln, mathematical modeling, energy demand.

INTRODUÇÃO

O setor industrial de produção de cimento Portland, definição geral usada para cimentos fabricados a partir de matérias primas calcárias e argilosas, é tradicional no país [1]. Esta rota produtiva tem sido o foco de considerável atenção mundial por causa do alto consumo de energia e dos impactos ambientais causados pelo processo [2-10]. Sendo assim, as etapas envolvidas no processo produtivo devem ser cuidadosamente controladas, objetivando a operação ótima do sistema. Existem basicamente dois processos de produção de clínquer: por via úmida e por via seca [11]. Atualmente no Brasil toda a produção de cimento Portland é efetuada em fornos por via seca, uma vez que necessitam de menor quantidade de energia para a produção. Na produção por via seca, a mistura moída totalmente seca, alimenta o forno em forma de pó. De forma geral, o processo de produção de cimento Portland (Fig. 1), envolve a extração de matéria prima, moagem, homogeneização do calcário e argila, preparação e transporte do cru, a clinquerização (em fornos rotativos) e resfriamento dos produtos, adição de substâncias complementares e empacotamento [12, 13].

Uma das principais etapas do processo de obtenção do cimento é a etapa de clinquerização também chamada de sintetização, que ocorre dentro do forno rotativo, onde o clínquer é formado [15-17]. O clínquer é um material que se apresenta na forma de pelotas acinzentadas e foscas, de tamanho variado e com propriedades hidráulicas [18]. É composto basicamente por silicato dicálcio (2CaO-SiO₂), silicato tricálcio (3CaO-SiO₂), aluminato tricálcio (3CaO.Al₂O₃) e ferro-aluminato-tetracálcio (4CaO.Al2O₃.Fe2O₃) [19-23]. A obtenção do clínquer ocorre entre 1450 °C e 1550 °C e envolve numerosos e complexos processos físicos e químicos. O desempenho do forno de cimento rotativo controla a qualidade do cimento e do desempenho geral da planta [24]. Os concretos atuais são compostos por uma mistura de cimento, água e agregados [25]. Os combustíveis convencionais usados no forno rotativo para a fabricação do clínquer são principalmente os carvões vegetais e minerais, o coque de petróleo e óleos pesados [13, 14]. Em pleno funcionamento, o forno rotativo empregado na produção de cimento é alimentado basicamente de matéria-prima, combustível e ar. As vazões mássicas de saída são referentes ao clínquer e aos gases de combustão (Fig. 2). A composição da matéria-prima alimentada no forno rotativo, utilizado na indústria de cimento, depende especificamente de cada produção, assim como também a composição do clínquer obtido. Neste estudo destaca-se o processo de produção de clínquer por via seca, no qual a alimentação é composta por cerca de 80% a 95% de calcário(CaCO₃), 5% a 20% de argila (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃) e por pequenas quantidades de minério de ferro.

Ao ser alimentada a matéria-prima no sistema, iniciam-se a evaporação da água livre residual e da água combinada das argilas e das reações características da obtenção do clínquer (Tabela I). O tempo médio de permanência é ~ 50 min [26].

Cada uma das reações intermediárias de obtenção do clínquer ocorre sob determinada faixa de temperatura [29] (Tabela II). A temperaturas próximas de 1300 °C, os compostos obtidos no processo de clinquerização C₃A (3CaO.Al₂O₃) e o C₄AF (4CaO.Al₂O₃. Fe₂O₃) começam a se fundir, formando uma fase líquida localizada na interface dos grãos, que envolve os cristais de C₂S (2CaO. SiO₂) já formados [30]. A temperatura final da pasta varia entre 50 e 70 °C e quanto mais rápido for este resfriamento, mais reativo será o cimento [16, 31]. Na Tabela III são apresentados os calores das reações que ocorrem na produção do clínquer. Os gases provenientes da queima de combustível são retirados do sistema por um sistema de exaustão [14].

O objetivo geral deste trabalho consiste no desen-volvimento de um modelo matemático fenomenológico estático, através do emprego de balanços globais de massa e energia, para a descrição do processo de obtenção do clínquer em fornos rotativos empregados na rota de obtenção do cimento Portland. Os objetivos específicos consistem em calcular a temperatura final de obtenção do clínquer, considerando a perda de energia por meio da radiação, e calcular a temperatura adiabática do processo. Além disso, utilizando dados industriais, adaptar o modelo á realidade e determinar a temperatura de alimentação de ar no forno.

MATERIAIS E MÉTODOS

Como não foram encontradas em literatura aberta as equações de capacidade calorífica dos compostos C₃A7, C₁₂A, CA, C₄AF, C₂S e C₃S, a metodologia empregada consistiu inicialmente na estimativa destes parâmetros. Considerando a composição estequiométrica destas espécies, foram propostas relações mássicas baseadas nas capacidades caloríficas dos compostos químicos mais simples, que se encontram disponíveis na literatura. As equações das capacidades caloríficas utilizadas para os compostos envolvidos no processo de sintetização são apresentados na Tabela IV.

O modelo matemático fenomenológico proposto foi desenvolvido a partir de balanços estáticos de massa e energia do forno. As principais relações matemáticas que compõem o modelo e o fluxograma empregado em sua resolução são apresentados na Fig. 3. A solução numérica foi obtida empregando-se o programa comercial Mathcad.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Partindo de adaptações do trabalho [5], foram adotados valores das variáveis de entrada do modelo (entrada V). Tradicionalmente, a temperatura média de saída do clínquer é de 1200 a 1300 °C [22, 30]. De acordo com dados industriais fornecidos pelo profissional da fábrica, para um forno 2.000 t/dia de matéria-prima necessita-se de cerca de 170 t/dia de combustível, e a taxa usual de excesso de arno processo de clinquerização é de 8 a 15%. O ar alimentado no forno é pré-aquecido com o ar quente resultante do processo de resfriamento do clínquer [27]. Comparando os valores simulados (saída, Tabela V) com os valores encontrados em literatura (Tabela VI), é possível verificar a adequação da metodologia proposta para o cálculo das composições de saída do forno.

Em um segundo momento, foi feita a simulação da temperatura adiabática do forno. O valor simulado apresentado na Tabela VII é consideravelmente maior do que o encontrado para a temperatura final de obtenção do clínquer, quando se leva em conta a perda de calor por radiação (Tabela VI). Isso já era esperado uma vez que a perda de calor por radiação diminiu a eficiência energética do processo.

CONCLUSÕES

Foi desenvolvido um modelo matemático capaz de descrever o processo de obtenção do clínquer no forno rotativo empregado na produção de cimento Portland. A condição operacional considerada para a elaboração do modelo matemático representa uma condição média adotada na indústria. A análise dos resultados obtidos indica que a metodologia proposta é adequada para o cálculo da composição de saída dos compostos. Foi possível ainda calcular a temperatura final de obtenção do clínquer considerando a perda de calor por radiação. A temperaura adiabática do forno também foi obtida e seu valor representa um limite máximo para a temperatura no interior do equipamento. O modelo matemático proposto neste trabalho não requer recursos computacionais avançados para ser resolvido e pode ser empregado na busca de novas condições operacionais para o equipamento. Diante da preocupação crescente do setor produtivo com o uso eficiente de energia, tais análises são fundamentais quando se deseja otimizar o consumo energético industrial.

AGRADECIMENTO

Os autores agradecem o apoio financeiro concedido pela UFES (Universidade Federal do Espírito Santo) através do Programa Institucional de Iniciação Científica (PIIC).

NOMENCLATURA

Rec. 10/07/2012

Rev. 10/12/2012

Ac. 15/12/2012

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Modelagem matemática de um forno rotativo empregado na produção de clínquer

Mathematical modeling of a rotary kiln employed in the clínker production

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Set 2013
• Data do Fascículo
  Jun 2013

Histórico

• Recebido
  10 Jul 2012
• Aceito
  15 Dez 2012
• Revisado
  10 Dez 2012