Estudo de caso de uma linha de produção de clínquer de 5000 toneladas por dia na China.

Resumo

À medida que a indústria do cimento enfrenta uma pressão crescente para reduzir as emissões de carbono, o uso de combustíveis alternativos O uso de combustíveis alternativos (FA) na produção de clínquer continua a se expandir. No entanto, combustíveis com alto teor de umidade, baixo poder calorífico e composição instável frequentemente causam instabilidade térmica, combustão incompleta e formação de incrustações quando injetados diretamente em sistemas de calcinação convencionais.

Este artigo apresenta a aplicação de um sistema de pré-calcinação em etapas (SSP) na Jincheng Shanshui Heju Cement Co Ltd, na China. Ao introduzir uma câmara de combustão dedicada a montante do calcinador, o sistema permite a secagem, pirólise e combustão em etapas de combustíveis alternativos antes de entrarem no sistema de forno. Os resultados operacionais demonstram taxas de substituição estáveis de 20–25%, juntamente com maior estabilidade do forno, maior eficiência de combustão, redução das emissões de CO₂ e benefícios econômicos significativos.

1 Introdução

Com as metas de descarbonização cada vez mais rigorosas em todo o mundo, a indústria do cimento está sob crescente pressão para reduzir o consumo de combustíveis fósseis e diminuir as emissões de CO₂.

Nos últimos anos, tem-se dado crescente atenção ao uso de biomassa, resíduos sólidos industriais, CDR (Combustível Derivado de Resíduos) e outros combustíveis alternativos na produção de clínquer. Comparados ao carvão convencional, esses combustíveis oferecem claras vantagens ambientais. No entanto, sua utilização em larga escala também acarreta desafios operacionais significativos.

Muitos combustíveis alternativos apresentam altos níveis de umidade, poder calorífico instável e distribuição granulométrica inconsistente. Quando esses materiais são injetados diretamente no calcinador, a rápida evaporação da umidade pode perturbar o equilíbrio térmico do sistema e causar flutuações na temperatura do calcinador.

Ao mesmo tempo, partículas grandes de combustível frequentemente não permanecem tempo suficiente no forno, resultando em combustão incompleta. Materiais não queimados que entram no forno podem intensificar a circulação de enxofre e álcalis, aumentando o risco de acúmulo de material, instabilidade do revestimento e problemas de qualidade do clínquer.

Garantir tempo e espaço de combustão suficientes para combustíveis difíceis tornou-se, portanto, um requisito fundamental para alcançar taxas de substituição mais elevadas sem comprometer a estabilidade do forno.

Para enfrentar esses desafios, a Jincheng Shanshui Heju Cement Co Ltd implementou um sistema de pré-calcinação em degraus em sua linha de produção de clínquer de 5000 toneladas por dia.

2 Visão geral do projeto

2.1 Contexto do projeto

O projeto foi implementado em uma linha de produção de clínquer localizada na província de Shanxi, na China.

Os principais objetivos incluíam:

• reduzir o consumo de carvão
• aumento da utilização de combustíveis alternativos
• redução das emissões de CO₂
• Melhorar a estabilidade da operação do forno

A capacidade de processamento de combustível alternativo projetada foi de 10 a 15 toneladas por hora, com uma taxa de substituição alvo de 20 a 251 toneladas por tonelada métrica e um potencial máximo de projeto de 281 toneladas por tonelada métrica.

2.2 Tipos de combustível

O projeto utiliza principalmente:

• resíduo de furfural
• resíduos de biomassa
• resíduos têxteis
• Pellets de combustível RDF
• resíduos sólidos industriais

O resíduo de furfural representa um combustível particularmente difícil devido ao seu alto teor de umidade, de 40 a 501 TP3T, e ao seu valor calorífico relativamente baixo, de aproximadamente 2000 kcal/kg.

3 Limitações da injeção direta de AF

A injeção direta convencional em calcinadores cria diversos desafios operacionais no manuseio de combustíveis alternativos de baixa qualidade.

3.1 Instabilidade térmica

A rápida evaporação da umidade dentro do calcinador absorve grandes quantidades de calor e cria quedas de temperatura localizadas, perturbando a estabilidade do calcinador.

3.2 Combustão incompleta

Partículas grandes de combustível frequentemente não queimam completamente devido ao tempo de residência insuficiente dentro do calcinador.

3.3 Aumento da circulação de enxofre e álcalis

Materiais parcialmente combustíveis podem criar condições redutoras que intensificam os ciclos de enxofre e álcalis, aumentando o risco de acúmulos e formação de anéis.

3.4 Flutuações na qualidade do clínquer

Partículas não queimadas que entram no sistema do forno podem contribuir para a formação de clínquer com núcleo amarelado e para a instabilidade da qualidade do clínquer.

A experiência operacional demonstra que a principal limitação não é apenas a qualidade do combustível em si, mas também a falta de espaço suficiente para a combustão na configuração atual do calcinador.

4 Solução pré-calcinadora em degraus

4.1 Conceito de sistema

O SSP introduz uma câmara de combustão dedicada a montante do calcinador, permitindo que combustíveis alternativos completem a secagem, a pirólise e a maior parte do processo de combustão antes de entrarem no sistema principal do forno.

Em comparação com a injeção direta, essa configuração reduz significativamente a perturbação térmica na operação do forno.

4.2 Componentes principais do sistema

O sistema SSP consiste principalmente em:

• sistema de armazenamento e transporte de combustível
• sistema de alimentação de parafuso duplo
• câmara de combustão em degraus
• sistema de combustão de ar terciário
• sistema de agitação por canhão de ar
• sistema de monitoramento de temperatura online
• sistema de monitoramento por câmera de alta temperatura
• sistema de controle automático PLC

O sistema inclui um total de 17 etapas:

• uma plataforma de secagem e ignição
• 15 etapas de combustão
• uma seção de descarga

5. Descrição do processo

Os combustíveis alternativos são transportados para um silo de armazenamento intermediário antes de entrarem no SSP através de alimentadores de parafuso duplo.

5.1 Etapa de secagem

O combustível entra primeiro na plataforma de secagem superior.

O ar terciário de alta temperatura proveniente do resfriador de clínquer, a aproximadamente 880°C, fornece tanto calor quanto ar para a combustão.

A evaporação da umidade ocorre gradualmente dentro da câmara dedicada, evitando flutuações severas de temperatura dentro do calcinador.

5.2 Etapa de pirólise e combustão

Após a secagem, os combustíveis movem-se para baixo através das etapas de combustão.

Os bicos do canhão de ar agitam periodicamente o leito de combustível, melhorando a turbulência e aumentando o contato com o oxigênio.

Partículas finas e leves são transportadas para o calcinador pela corrente de gás quente, enquanto partículas maiores permanecem nos degraus inferiores para combustão posterior.

Esse mecanismo de combustão em estágios melhora significativamente a eficiência da queima completa do combustível.

5.3 Controle do tempo de residência

O tempo de residência pode ser ajustado modificando a frequência do canhão de ar, o volume de ar terciário e a taxa de alimentação.

Dependendo das características do combustível, os materiais podem permanecer dentro do SSP por até 20 minutos.

6. Desempenho operacional

6.1 Taxas de substituição mais elevadas

O sistema alcançou taxas de substituição estáveis de 20–25%, com um potencial máximo de projeto de 28%.

6.2 Melhoria da estabilidade do forno

Como a evaporação da umidade e a combustão primária ocorrem dentro do SSP, as flutuações de temperatura do calcinador foram significativamente reduzidas.

Os resultados operacionais mostraram:

• operação de forno mais estável
• perturbação térmica reduzida
• menor risco de acúmulo
• melhoria da continuidade do sistema

6.3 Melhoria da qualidade do clínquer

A redução do arraste de material não queimado resultou em menos problemas com clínquer de núcleo amarelo e em uma qualidade mais estável do clínquer.

6.4 Benefícios ambientais

Espera-se que o projeto reduza as emissões de CO₂ em aproximadamente 20.000 toneladas por ano.

O design integrado online não cria pontos de emissão adicionais, enquanto as condições de alta temperatura dentro do sistema do forno favorecem a destruição de COVs e outros poluentes orgânicos.

As condições redutoras locais dentro do sistema também contribuem para menores emissões de NOx e menor consumo de amônia.

6.5 Benefícios econômicos

Usando o resíduo de furfural como exemplo:

• Economia anual de carvão: aproximadamente 11.300 toneladas
• Economia anual com custos de combustível: aproximadamente 7,9 milhões de RMB.
• Economia anual de eletricidade: aproximadamente 170.000 RMB
• Valor anual de redução de carbono: aproximadamente 2 milhões de RMB

O benefício econômico anual total ultrapassa 3,6 milhões de RMB.

7 Recomendações operacionais

7.1 Gestão da qualidade do combustível

A mistura de combustíveis com diferentes valores caloríficos e teores de umidade é recomendada para reduzir as flutuações térmicas.

7.2 Controle de temperatura

Inclui-se uma entrada para alimentos crus para absorver o excesso de calor e evitar o sobreaquecimento localizado.

7.3 Automação avançada

O controle automático da taxa de alimentação, do fluxo de ar terciário e da operação do canhão de ar melhora ainda mais a estabilidade do sistema e a eficiência da combustão.

8 Conclusão

Com o aumento contínuo da utilização de combustíveis alternativos na indústria cimenteira, os métodos convencionais de injeção direta estão se tornando cada vez mais insuficientes para lidar com combustíveis de baixa qualidade e difícil processamento.

O projeto Jincheng demonstra que o pré-calcinador em degraus proporciona um ambiente de combustão estável e eficiente para combustíveis com alto teor de umidade e baixo poder calorífico, melhorando significativamente a eficiência da queima e as taxas de substituição, ao mesmo tempo que reduz a perturbação térmica no sistema do forno.

Além de gerar economias substanciais de carvão e redução de carbono, a tecnologia também melhora a estabilidade do forno e a qualidade do clínquer, oferecendo um caminho prático para a transição da indústria cimenteira para uma economia de baixo carbono.