Após ser produzida e homogeneizada a farinha é transportada para o pré-aquecedor do forno de clinquerização. Existem diversos tipos de pré-aquecedores, mas atualmente o mais utilizado é a torre de ciclones com pré-calcinador mostrado na Figura 2.9 (a). O sistema tratado neste trabalho é a torre de ciclones sem pré-calcinador mostrado na Figura 2.9 (b), onde a torre é dividida em estágios, ou níveis contendo ciclones. Os fluxos gerais na torre se apresentam em contra-corrente, ou seja, a farinha desce a torre por gravidade e os gases quentes provenientes do forno sobem a torre devido a pressão negativa gerada por um ventilador de exaustão.
A farinha é alimentada no duto de gases ascendentes do estágio inferior (overflow do ciclone do nível inferior) e é transportada para o estágio superior, neste trecho os fluxos estão co-corrente e ocorrem as maiores trocas de calor e avanços de reações. Ao entrar no ciclone ocorre a separação dos gases e da farinha, os gases sobem pelo overflow para o estágio superior e a farinha desce pelo underflow para o estágio inferior onde os gases se apresentam mais quentes. Este processo se repete estágio a estágio até que a farinha entre no forno e os gases saiam pelo topo da torre sendo reaproveitados na moagem de farinha e/ou de combustível ou descartados na chaminé após coleta do pó carreado que retorna para o processo.
A eficiência da troca térmica em cada estágio é muito importante para a recuperação da energia presente nos gases do forno e para o avanço da descarbonatação das matérias primas
antes de entrar no forno. Para uma torre de ciclones de quatro estágios, valores típicos de temperatura são:
- farinha de alimentação, 60 oC;
- 1° ciclone, 350 °C (gases de exaustão); - 2° ciclone, 540 °C;
- 3° ciclone, 700 °C;
- 4° ciclone, 840 °C (material que entra no fono).
Figura 2.9 – (a) Torre de ciclones com pré-calcinador em linha. Fonte: PREHEATER, 2011; (b) Torre de ciclones. Fonte: KOHLHASS, 1983.
Após sair do pré-aquecedor, a farinha entra no forno de clinquerização, um tubo rotativo, revestido com tijolos refratários, com inclinação aproximada de 3% que promove a movimentação do material em direção à saída do mesmo enquanto as reações de clinquerização ocorrem. O processo é endotérmico e necessita do aporte de energia que é realizado via queimador instalado na saída do forno (atualmente parte da energia é fornecida na entrada do forno ou final do pré-aquecedor).
O queimador recebe o combustível moído via um transporte pneumático e injeta esse material juntamente com outras correntes de ar, responsáveis por promover a mistura ar / combustível e facilitar o processo de combustão do sólido. Óleos, resíduos líquidos, gás
natural também podem ser injetados via queimador e um exemplo de equipamento é mostrado na Figura 2.10.
Além de facilitar a queima, os ares de modelagem permitem definir a forma da chama produzida: longa ou curta, concentrada ou dispersa; extremamente importante para a vida útil dos refratários, para a formação dos grãos dos cristais de silicato e silicoaluminato.
Figura 2.10 – Queimador principal para forno de clínquer. Fonte: FLSMIDTH, 2011.
Conhecendo os equipamentos principais envolvidos na clinquerização, pode-se iniciar a apresentação das reações de formação dos compostos que ocorrem enquanto matéria prima e gases quentes trocam energia em contra-corrente no pré-aquecedor e no forno.
Tabela 2.2 – Etapas do processo de clinquerização.
(continua)
Temperatura (oC) Processo Reação
< 200 Secagem da água livre
100 . . 400 Eliminação da água absorvida 400 . . 750 Decomposição da argila,
formação da metakaolinita
Al4(OH)8Si4O10 è 2(Al2O3.2SiO2 + 4H2O)
600 . .900 Decomposição da metakaolinita e outros compostos com formação de uma mistura de óxidos reativa
Tabela 2.2 – Etapas do processo de clinquerização.
(conclusão)
Temperatura (oC) Processo Reação
600 . . 1000 Decomposição do calcário com formação de CS e CA
CaCO3 è CaO +CO2
3CaO + 2SiO2 + Al2O3 è 2(CaO.SiO2) +CaO.Al2O3 800 . . 1300 Incorporação do CaO pelo CS e
CA, formação do C4AF
CS + CaO èC2S 2CaO + SiO2 è C2S CA + 2 CaO è C3A
CA + 3CaO + Fe2O3 è C4AF 1250 . . 1450 Incorporação do CaO pelo C2S C2S + CaO è C3S
Fonte: KOHLHASS, 1983.
O processo, descrito por Kohlhass (1983), inicia com a secagem da água livre, ou umidade da farinha com temperaturas de até 200 oC. Posteriormente, entre 100 e 400 oC ocorre a perda da água adsorvida na superfície e entre camadas dos minerais argilosos. A temperaturas mais altas, geralmente entre 400 e 750 oC, a água combinada quimicamente (grupos hidroxila) são expelidos (desidratação). A decomposição argila forma a metakaolinita (Al2O3.2SiO2) que posteriormente, com a temperatura chegando aos 900 oC, se decompõe em óxidos ativos Al2O3 e SiO2.
O carbonato de cálcio (CaCO3) é decomposto em CaO e CO2 teoricamente a temperaturas acima de 896 oC para a substância pura. Com a presença dos outros componentes presentes na farinha a dissociação ocorre em temperaturas menores. Na prática começa entre 550 e 600 oC devido as reações do CaO com SiO2, Al2O3, e Fe2O3 resultando em CA (CaO.Al2O3), CS (CaO.SiO2) e C12A7 (12CaO.&Al2O3). Estas reações sólidas são precursoras das reações de formação dos compostos do clínquer (C3A, C4AF e C2S) que se iniciam acima de 800 oC. Estas reações são lentas e são influenciadas principalmente pela granulometria da farinha e pela temperatura de queima aplicada.
A formação de fase líquida, denominada clinquerização ou sinterização, inicia a temperaturas entre 1260 e 1310 oC. Com o aumento da temperatura a quantidade de fase líquida chega a 20-30% em peso a 1450 oC, o que facilita a migração dos reagentes para formação do principal componente do clíquer, C3S. O C2S e o C3S estão presentes como fase sólida dentro do líquido de sinterização, que contém todo Al2O3 e Fe2O3. Estas reações podem
ser aceleradas pelo aumento da quantidade de fase líquida, redução da viscosidade da fase líquida e redução da proporção de partículas grossas (principalmente quartzo – SiO2) na farinha.
A Figura 2.11 mostra a evolução das reações no forno de clínquer, a relação das mesmas com a temperatura ao longo do forno e o tempo de residência do material no forno. Verifica- se que o tempo de residência no pré-aquecedor é muito baixo e que as reações sólidas ocorrem em um tempo maior nas zonas de calcinação e transição do forno.
Figura 2.11 – Evolução das reações no forno de clínquer. Fonte: BHATTY et al, 2004.
Após o processo de clinquerização, ocorre a etapa de resfriamento. Se o clínquer formado no processo de queima for resfriado muito lentamente, algumas reações podem ser revertidas, como a dissolução do C3S na fase líquida. Com um resfriamento rápido, busca-se “congelar” o estado de equilíbrio para que o clínquer resfriado seja similar ao obtido à temperatura de clinquerização. A taxa de resfriamento afeta o estado de cristalização, a
reatividade das fases do clínquer, a moabilidade do clínquer e outros parâmetros importantes, segundo Kohlhass (1983).
Além de o resfriamento impactar a qualidade do clínquer produzido, o uso de resfriadores na saída do forno é extremamente importante na recuperação do calor sensível que o clínquer carrega. Nos resfriadores, ar ambiente é colocado em contato com o clínquer aquecido, e este ar será utilizado para combustão no interior do forno. Desta forma, quanto maior a eficiência de recuperação de calor no resfriador maior a temperatura do ar de combustão facilitando a etapa de queima do combustível e menor o custo térmico. A Figura 2.12 mostra dois tipos de resfriadores, (a) resfriador de satélite que apresenta menor eficiência e (b) resfriador de grelhas usados nos novos projetos de fornos.
Figura 2.12 – (a) Resfriador satélites. Fonte: KOHLHASS, 1983; (b) Resfriador de grelhas. Fonte: FLSMIDTH, 2012.