Proven Experiences with Alternative Fuels in Cement Kilns
RESUMO
Este trabalho aborda os principais aspectos de pré-tratamento de resíduos e coprocessamento de combustível alternativos em fornos de cimento, por sofisticadas técnicas de pré-tratamento. De grande importância neste contexto são piroprocessamento bem como combustão no seu ponto de entrada, o impacto sobre o produto e emissão. Serão ainda apresentadas algumas técnicas específicas para a utilização de combustível alternativo em fornos via úmida, fornos com pré-calcinadores e queimadores em geral.
Palavras-chave: Resíduos. Pré-processamento. Forno de cimento. Combustível alternativo. Qualidade. Combustão. Ambiente.
ABSTRACT
This paper focus on the main aspects of pre-processing of waste and co-processing of alternative fuels in cement kilns, by sophisticated pre-processing techniques. Of major importance in this context are pyroprocessing as well as combustion at its point of entrance, impact on product and emission. Some particular techniques for the AF use in wet-kiln and pre-calciner kiln as well as in main burners will be presented.
Keywords: Waste. Pre-processing. Cement kiln. Production of alternative fuel. Quality. Combustion. Environment.
1 INTRODUÇÃO
Devido a constante flutuação dos custos e das discussões sobre a proteção sustentável dos recursos, a indústria de cimento alemã atingiu uma redução contínua da energia total requerida, mudando de processo via úmida para processo via seca, incluindo um preaquecedor de ciclones.
Após a primeira crise de petróleo no início da década de 70, do século XX, para cortar os custos, primeiro mudou-se de gás e óleo para carvão e lignita, e devido a elevado poder energético e manuseio relativamente simples também foram aplicados óleo usado e pneus.
Mais tarde, seguiu-se com solventes, borra de óleo, embalagens, recortes e outros provindos de processos industriais identificados e pré-analisados.
Combustíveis sólidos alternativos pré-selecionados, similares a lignita, de produção específica, do assim chamado “cereja picada”, de resíduos comerciais e biomassa, além dos líquidos já mencionados, são considerados de fluxo simples e são processados para serem utilizados no queimador principal, na entrada do forno, ou se existir, no calcinador.
Adicionalmente resíduos de base mineral, tais como tortas residuais de filtros, areia de fundição, resíduos de óxido de ferro laminado (películas de ferro), ou solo contaminado, são usados para serem misturados com materiais alternativos crus, substituindo compostos minerais naturais.
Desde que foi provado que o uso individual de resíduos no processo não tem efeito no teor de emissões de uma planta, ou mesmo no processo de queima do clínquer, e na qualidade do produto, os resíduos então são preparados como misturas, com seu poder energético, teor de cinzas para a formação de clínquer, logo, coprocessados.
A produção de combustíveis alternativos e sua aplicação foram estabelecidas de tal maneira que existem países extremamente dependentes de recursos energéticos externos e que levam cada vez mais em conta a integração da gestão de resíduos como um conceito de energia. A fim de implementar tais conceitos, naturalmente, também as fábricas de cimento entram em foco. Frequentemente, no entanto, isso faz com que nos esqueçamos de que o cimento é um produto de massa padronizada de um processo de produção altamente eficiente em termos energéticos.
Quando se pensa em “Combustível Alternativo”, subentende-se material barato disponível. Até a legislação fala sobre “cocombustão”. Mas atualmente há processos de conversão físico-químicos de alta complexidade, que não foram até agora totalmente esclarecidos, até mesmo na combustão do carvão.
Simplificando uma combustão, como um processo de controle da combustão por difusão (Figura 1), ela pode ser descrita com secagem, pirólise, ignição e queima de coque numa atmosfera reduzida de oxigênio. Com um aumento da taxa de substituição térmica, esta sequência domina a combustão e consequentemente todo o processo clínquer de cimento.
Figura 1 – Sequência operacional simplificada concernente à conversão de combustíveis com a subsequente queima do coque. Dependendo da qualidade, é possível reduzir à zero, a combustão do coque durante a conversão de combustíveis líquidos
Usualmente resíduos comerciais e frações de alto valor calorífico são processados separadamente ou em conjunto, para remover do combustível: metais, vidros, cinzas ou outros componentes prejudiciais.
Para injetar combustíveis alternativos sólidos de dimensões maiores, diâmetro máximo 300, pela entrada de um forno ou, de um calcinador, é necessária uma preparação e o manuseio de amostras diferentes, que então precisam ser injetadas pelo queimador principal. Para uma melhor queima total, estes compostos têm que ser moídos para atingirem diâmetro máximo de 25 mm ou menores e peneirados, evitando uma redução das condições de queima na zona de sinterização do forno e ainda assim pode gerar influências no processo quando comparadas ao pó de carvão.
Se o processamento tem que ser com materiais de granulometria ainda mais finas, o processo atinge os limites técnicos e econômicos.
Normalmente numa planta de cimento os combustíveis prontos para queimar são transportados pneumaticamente para o respectivo ponto de queima, especialmente quando são alimentados no queimador principal. As misturas heterogêneas de combustíveis alternativos passam por um novo processo de preparação onde as partículas são separadas pelo seu tamanho em frações individuais para queima em diferentes níveis.
Enquanto que as partículas finas com grandes áreas específicas (por exemplo, filme de PVC para embalagens com dimensão de 2 a 500 micros de espessura) são consumidas pela chama flutuante, as partículas tridimensionais (plástico duro, borracha, madeira etc.) formam a ponta da chama, e seus resíduos finais flutuam sendo absorvidos pelo clínquer, formando uma zona redutora para as condições de queima, temperatura de entrada elevada e formação de ciclo sulfuroso.
Por esta razão as misturas de combustíveis com partículas entre 25 e 80 mm podem ser processadas mecanicamente, enquanto que as maiores de até 250 mm podem ser processadas termicamente.
2 OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE COMBUSTÃO NA ZONA DE CLINQUERIZAÇÃO EM FORNOS ROTATIVOS
Se o combustível alternativo será alimentado via, do assim chamado queimador da zona do clínquer, ele deve ser moído para diâmetro máximo de 25 mm em média, removendo-se os maiores, para melhorar a queima total.
O queimador deve ser projetado de acordo com requisitos físicos para operar apropriadamente a partir das diferentes propriedades do combustível.
Um queimador da zona de clinquerização é projetado para queimar combustíveis primários, como também combustíveis sólidos recuperados, com uma produção térmica entre 10 e 300 MW e tem sido projetado especialmente para o uso de combustíveis alternativos sólidos e líquidos (Figura 2). Com uma mistura de combustíveis alternativos sólidos e líquidos com média de grãos de diâmetro máximo < 20 mm, já foi possível alcançar taxas de substituição próximas de 100%.
Figura 2 – Vista frontal de um queimador adaptado para a zona de clinquerização
Durante a operação, os bicos de injeção de ar primário são ajustados seletivamente tendo em vista que qualquer movimento aleatório e divergências são possíveis, e podem ser ajustadas à trajetória das partículas do fluxo.
Uma dimensão de partícula adaptada e uma mistura intensa do combustível com o ar de combustão garantem uma conversão rápida e completa e reduz significativamente o tempo de conversão na zona de reação. Este procedimento é especialmente importante para combustíveis de difícil queima, por exemplo, coque de petróleo e misturas de combustíveis pouco caloríficos.
Para poder projetar um queimador otimizado, as misturas multicomponentes, do combustível alternativo sólido, devem ser primeiramente analisadas quanto à sua classificação granulométrica e química. Neste processo as partículas do combustível são separadas em frações (Figura 3), nas quais resultam as mesmas propriedades dos sólidos equivalentes em perfil de movimento, densidade ou formato dos grãos, isto é, as partículas se movem em trajetórias idênticas.
Figura 3 – Classificação por ar de combustíveis alternativos (Combustíveis secundários) a partir da segregação de frações de partículas idênticas de alto poder calorífico dos combustíveis secundários produzidos em planta de tratamento mecânico-biológico
Todos estes procedimentos de análise dos combustíveis alternativos, em função da granulometria e perfil de movimento, resultam em conclusões relativas ao comportamento de movimento ou a qualidade do pré-processamento. A composição original, bem como seu comportamento, fica claramente perceptível e facilita a determinação do ponto de injeção no sistema do forno. Assim, a determinação das frações de partículas individuais é relevante e recomendável. Em frações de partículas também é possível determinar a necessidade de oxigênio ou o comportamento na ignição.
3 PROCESSAMENTO MECÂNICO PARA USO NUM QUEIMADOR DA ZONA DE CLINQUERIZAÇÃO
A velocidade de combustão é influenciada por vários efeitos tais como o isolamento, a geometria e as superfícies, onde a difusão das partículas do combustível causa diferentes velocidades de combustão.
Por esta razão são recomendadas certas tecnologias de separação por ar durante o processo de pré-tratamento dos resíduos, desta forma a integração dos combustíveis secundários será otimizada devido ao tempo de retenção no corpo individual das chamas quando saem da boca do queimador.
Este processo é perfeitamente aplicável a partículas tridimensionais, duras ou frágeis que até aqui têm levado a formação de zonas redutoras no forno. Elas são efetivamente e rapidamente separadas quando grandes, mas geralmente são obtidas partículas finas e achatadas de duas dimensões, que não afetam a combustão quanto à queima total.
Enquanto a porção de partículas pesadas tridimensionais que contém água são reduzidas, as propriedades químicas dos componentes do combustível alternativo permanecem inalteradas.
4 O USO DE COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS NO CALCINADOR
Em plantas modernas com calcinadores, somente 40% do consumo térmico é dado pelo queimador da zona de clinquerização, enquanto 60% da demanda de calor é requerida por um ou mais pontos de queima do calcinador. Neste processo, o ar de combustão necessário é injetado pelo duto de ar terciário tomado da seção de recuperação do resfriador do clínquer, para os pontos de queima dentro do calcinador.
Com relação à reação, o calcinador requer somente uma temperatura de 850 a 900 °C para calcinar a fração de calcário.
Dentro do calcinador os gases que se encontram em temperaturas em torno de 1000 a 1200 °C do forno rotativo, se misturam com ar terciário de 800 a 1000 °C, o que garante uma ignição e uma queima segura mesmo para combustíveis alternativos de dimensões grandes e reações lentas.
No entanto, especialmente a queima de vários combustíveis de reação lenta, tomam um tempo consideravelmente mais longo do que o preaquecimento e a calcinação de materiais crus, sendo este o fator determinante para o dimensionamento dos calcinadores. Por esta razão existem disponíveis várias soluções técnicas para calcinadores, as quais também permitem o controle da temperatura de combustão e a atmosfera, bem como a redução das emissões de NOx.
Figura 4 – Diferentes tipos de calcinadores
KHD
FLS
Fonte: Adaptado pelo autor de KHD, FLS e ThyssenKrupp-Resource Technologies.
Para garantir a queima total de combustíveis alternativos de reação lenta, ou combustíveis primários, em alguns casos são empregadas as câmaras de combustão para combustão complementar ao calcinador.
Para combustíveis com um tempo de residência muito longo, tais como biomassa, coque de petróleo ou antracita é usada a câmara de pré-combustão. Nela é formado um vórtex no fluxo junto com a injeção de ar terciário puro, aumentando a reatividade sob altas temperaturas auxiliando o processo de secagem e a queima do combustível.
Para o uso de combustíveis alternativos de baixo poder calorífico e de grandes dimensões o tempo de residência na pequena zona quente é insuficiente. Para isto foi especialmente desenvolvida uma câmara de pré-combustão para uma taxa elevada de carga de combustíveis alternativos de baixo poder calorífico.
O tempo de retenção típico de um calcinador, de 4 a 8 segundos, é, às vezes, insuficiente para a queima completa dos combustíveis alternativos de reação lenta como alto poder calorífico com um diâmetro aproximado de < 300 mm.
Com base nisso a FLSmidth desenvolveu uma mesa de reciclagem integrada com os sistemas de preaquecimento e calcinação. Foi provada sua exequibilidade para combustíveis alternativos “grosseiros” de uso individual como pneus de caminhões ou biomassa com dimensões 1,2 metro de diâmetro.
A TK-Industrial Solutions desenvolveu seu “Step Combustor” também incorporado ao calcinador, mas capaz de queimar diferentes qualidades de combustíveis alternativos, porque o transporte e a taxa de descarga são controlados separadamente por rajadas de ar por bicos de injeção. E dentro da câmara de reação não são necessários acessórios mecânicos ou partes móveis.
5 CONCLUSÕES
A fim de cortar custos energéticos na produção de clínquer após a crise do petróleo no início da década de 1970, a Indústria de Cimentos Alemã iniciou a substituição de combustíveis primários por combustíveis alternativos (CA) tais como, óleos e pneus usados. Atualmente estes combustíveis representam mais de 2 Euro/GJ do custo da energia.
Após o estabelecimento de uma gestão confiável dos combustíveis alternativos e da matéria-prima, temos a inclusão na cadeia de alternativos de uma ampla gama de resíduos perigosos e não perigosos, bem como líquidos e sólidos, orgânicos e resíduos minerais, que devem ser pré-processados, ter sua qualidade monitorada, feitos sob medida para fornos existentes ou recém-instalados segundo sua composição química, pesquisas geológicas e produtos.
Por exemplo, na Alemanha a proibição de aterros em 2005, acelerou o desenvolvimento de tecnologias de coprocessamento nas indústrias de eletricidade e cimento. Baseado numa experiência comprovada de trinta anos o coprocessamento está assumindo uma função importante no conceito de energia e resíduos, sobretudo no objetivo da redução de emissões de gases de efeito estufa.
Para tanto foram instaladas quase 50 plantas públicas de tratamento mecânico-biológico com uma capacidade operacional anual de aproximadamente de 6 milhões de toneladas de resíduos sólidos municipais e centenas de pequenas plantas particulares que pré-selecionam o material reciclável oriundo do comércio e da indústria que, subsequentemente devem ser processados, formando um combustível derivado de resíduos feito “sob medida” (CDR < 80 mm) para calcinadores, e combustível sólido recuperado com qualidade monitorada para queimadores em geral < 25 mm.
Em 2012, quando a demanda térmica da Alemanha estava por volta de 92 mGJ, aproximadamente 62% desta demanda foi substituída por combustíveis alternativos sólidos e líquidos, o que corresponde a aproximadamente 2 milhões de toneladas de pneus, resíduos animais, óleos ou solventes e diferentes tipos de combustíveis sólidos e biomassa, os quais foram preparados de maneira a atender aos requerimentos mínimos de manuseio, alimentação, combustão, processo, controle de emissões e performance do produto.
O processo de queima do clínquer deve ser avaliado considerando-se as opções técnicas e suas falhas. O pré-processamento e respectivos conceitos de manuseio em uma planta de cimento bem como, o impacto dos combustíveis alternativos no processo de produção, deverão ser enfatizados. São de suma importância, neste contexto, o piro-processamento, bem como a combustão no seu ponto de entrada, o impacto sobre o produto e as emissões.
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Como citar [ABNT NBR 6023:2002]:
BAIER, Hubert. Experiências Comprovadas com Combustíveis Alternativos em Fornos de Cimento. In: FRICKE, Klaus; PEREIRA, Christiane; LEITE, Aguinaldo; BAGNATI, Marius. (Coords.). Gestão sustentável de resíduos sólidos urbanos: transferência de experiência entre a Alemanha e o Brasil. Braunschweig: Technische Universität Braunschweig, 2015. Disponível em: <https://goo.gl/BE246I>. Acesso em: .
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