Curso da Votorantim_Fornos_Módulo _Teórico.ppt
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O documento aborda o funcionamento e os sistemas de homogeneização de fornos, destacando diferentes tipos de sistemas, como fluxo controlado e cone invertido, com ênfase na eficiência de mistura e consumo energético. Também explora as características dos combustíveis utilizados, o processo de combustão e a clinquerização, detalhando as etapas e temperatura envolvidas na produção do clínquer. O material oferece informações técnicas relevantes para o treinamento em engenharia de processo dentro da indústria de fornos.
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- 1. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Homogeneização de Farinha Homogeneização de Farinha • Prover ao forno alimentação de composição homogênea; • Formar um estoque que permita operação independente do forno; Tipos de Sistemas de Homogeneização • Sistemas com fluidização de farinha; • Sistema “Funnel Flow”; • Sistema “Controlled Flow”; Funções básicas
- 2. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema “Funnel Flow” Sistema “Funnel Flow” Homogeneização Homogeneização Estocagem Estocagem Efeito de Efeito de Homogeneização Homogeneização -Funil- -Funil- Extração Extração Dispensa uso de ar comprimido
- 3. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema CF Sistema CF Fluxo Controlado Fluxo Controlado Cone de alívio de pressão Setores de extração do silo CF Tanque de Mistura
- 4. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema CF Sistema CF Efeito de Homogeneização Vazão de extração diferenciada • Todo o material no interior do silo se mantém em movimento; • Mistura mais eficiente das diversas camadas; • Necessário volume mínimo de material para garantir homogeneização.
- 5. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema CFI - Cone Invertido Sistema CFI - Cone Invertido Esquema detalhado do Silo CFI • Maior facilidade de extração; • Menor consumo energético; Cone invertido
- 6. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema CFS Sistema CFS • Baixo consumo energético; • Boa movimentação do material; • Eliminação das “zonas mortas”; Cone alívio pressão 6 segmentos triangulares Caixa aerada
- 7. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistemas de Forno Sistemas de Forno “Suspension Preheater” – SP “In line calciner with excess air” - ILC- E “In line calciner” - ILC “Separate Line Calciner” - SLC “Separate Line Calciner – Special” – SLC-S Busca: •Maior capacidade de produção; •Menor consumo energético;
- 8. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema SP - Suspension Preheater Sistema SP - Suspension Preheater Instalação Normal • Torre simples, 4 - 6 estágios com 700 a 2800 t/dia de produção; • Descarbonatação de 50%;
- 9. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema ILC-E Sistema ILC-E Instalação Normal • Torre simples, 4 - 6 estágios com 900 a 3300 t/dia de produção; • Descarbonatação 60%.
- 10. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema ILC - “In line Calciner” Sistema ILC - “In line Calciner” Instalação Normal • Torre simples, 4 -6 estágios com 1500 a 4000 t/dia de produção; • Descarbonatação: 90-95%.
- 11. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema SLC - “Separate Line Calciner” Sistema SLC - “Separate Line Calciner” Instalação Normal • Torre dupla, 4 -6 estágios com produção superior a 4000t/dia; • Descarbonatação: 90-95%.
- 12. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistema SLC-S Sistema SLC-S Instalação Normal • Torre simples, 4 -6 estágios com produção de cerca de 1500t/dia; • Descarbonatação: 90-95%.
- 13. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Exemplos Pré-Calcinadores Exemplos Pré-Calcinadores ILC-E ILC-E ILC ILC SLC SLC SLC-S SLC-S
- 14. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Comparativo Carga Térmica Comparativo Carga Térmica • Economia significativa de refratários; • Menores perdas por radiação no casco; • Menor investimento inicial; • Economia de espaço; Vantagens
- 15. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Fornos Fornos Características do Forno • Modelos padronizados em função do diâmetro - 3,45 a 5,0m; • Normalmente 3 bases; • Inclinação de 3,5 ou 4,0%; • Vel.máxima de 2 a 3 rpm; • Comprimento 17 x Diâmetro;
- 16. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Outras partes dos Fornos Outras partes dos Fornos Acionamento do forno Selo entre o forno e a caixa de fumaça Suporte do forno - Os apoios do forno previnem sua deformação durante a operação e garantem sua máxima durabilidade. Hidráulico – Dá ao forno um movimento longitudinal que garante um desgaste uniforme dos rolos, aumentando sua vida útil.
- 17. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistemas de Pré-Calcinação Sistemas de Pré-Calcinação • Surgiu como alternativa de redução do consumo térmico e aumento de produção, sem aumentar demasiadamente o diâmetro dos fornos. • Fornecimento de uma quantidade de energia especificamente para o processo de descarbonatação; Sistema RSP Fls
- 18. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistemas de Pré-Calcinação Sistemas de Pré-Calcinação Prepol AT Pyroclon Prescinde de duto de ar terciário 2 câmaras de combustão verticais
- 19. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Sistemas de Pré-Calcinação Sistemas de Pré-Calcinação Parcial By-Pass Utilizado em sistemas já existentes Retirar quantidades em excesso de álcalis e enxofre
- 20. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Uma quantidade suficiente de oxigênio deve estar presente para se misturar com o combustível; • Uma certa temperatura deve ser mantida de forma a promover a ignição desta mistura. Condições Necessárias Condições Necessárias • Reação química entre um combustível e oxigênio, com grande liberação de energia. 2 2 CO O C O H O H 2 2 2 4 2 2 SO O S
- 21. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão 1 2 2 Q CO O C kcal kmolCO kmolO kmolC 97200 1 1 1 2 2 kcal kgCO kgO kgC 97200 01 , 44 32 01 , 12 2 2 kcal kgCO kgO kgC 8093 664 , 3 664 , 2 1 2 2 kcal CO Nm O Nm kgC 8093 8535 , 1 8643 , 1 1 2 3 2 3 Ar mínimo Ar mínimo O S H C O . 998 , 0 . 937 , 7 . 664 , 2 (min) 2 (Kg/kg de combustível) 2315 , 0 / (min) ) ( 2 kg kg O teórico Ar
- 22. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Excesso de ar Para queima completa do combustível, com produção máxima de energia e ausência de CO, deve-se trabalhar com quantidade de oxigênio acima da estequiométrica. CO O CO CO O Arexcesso 2 2 2 1 5 , 0 762 , 3 1 1
- 23. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Poder Calorífico Energia liberada na queima de 1kg de combustível. PCI - Água estado vapor PCS - Água estado líquido ão Hvaporizaç Hi Hs Hsp - isento água e cinza Hss - isento água Hsu - com água e cinza
- 24. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Tipos de Combustíveis Carvão Composição Elementar Típica de Carvão Mineral Constituintes % Carbono (C) 60-92 Hidrogênio (H) 1-5 Oxigênio (O) 2-14 Nitrogênio (N) 0,3-2 Enxofre (S) 0,5-4 Cinzas 5-15 Umidade 2-15 • Elevada concentração de cinzas(SiO2) -> composição química da farinha; • Material volátil -> carvões de épocas geológicas mais recentes - influência marcante nas características da chama;
- 25. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Tipos de Combustíveis Coque de Petróleo - Combustível derivado do craqueamento de óleos pesados de petróleo, composto por hidrocarbonetos cíclicos e aromáticos, com baixo teor de cinzas e de materiais voláteis, sendo portando de difícil queima. Possui elevado teor de enxofre que pode dificultar o processo de clinquerização. Tipo de Combustível % Voláteis % Cinzas % Umidade Antracito < 8 3-5 < 2 Semiantracito 5-15 3-5 2-6 Coque betuminoso 20-30 8-15 2-6 Lignito 40-50 15-30 10-15 Coque de Petróleo < 15 < 2 < 1
- 26. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Para promover sua queima em fornos de clínquer: • Moagem mais fina; • Temperatura de reação mais elevada; • Maior tempo de contato. Elevado teor de enxofre: • Excesso de ar nos fornos; • Maior controle da temperatura na zona de queima; • Cuidado com a variabilidade da farinha; Coque de Petróleo
- 27. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Combustão Combustão Óleo Combustível • Combustível formado por hidrocarbonetos parafínicos, olefínicos e naftênicos possuindo grande facilidade de queima. Composto principalmente por carbono (85-90%) e hidrogênio (5- 10%). • Tem elevada viscosidade, sendo necessário seu aquecimento a fim de permitir sua utilização. São utilizadas caldeiras ou resistências elétricas. • A fim de otimizar sua queima, deve-se promover uma devida atomização no queimador.
- 28. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Maçaricos Maçaricos Óleo Óleo Carvão Carvão Maçarico com rosácea - Coque Maçarico com rosácea - Coque Ar axial Ar Transporte Ar Tangencial Área Central Lança de Óleo
- 29. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Ponto de Ignição Zona Escura Características da Chama • Comprimento; • Energia; • Cor; • Direção; • Ponto de Ignição.
- 30. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Variáveis de interferência nas características da chama • Design do maçarico; • Diâmetro do forno; • Características dos combustíveis; • Temperatura e vazão dos combustíveis e ar primário; • Relação ar/combustíveis; • Carga do forno; • Ar mínimo; • Posição do queimador;
- 31. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Comprimento Comprimento Total Comprimento de Ignição Variáveis de influência • Presença de Oxigênio; • Finura do combustível; • Desenho do queimador; • Temperatura dos gases; • Melhor mistura ar/comb.; • Atomização; Impingimento • Evitar impingimento sobre carga e refratário;
- 32. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Forma 1 2 Chama com consistência Chama “boba” Influência do ar secundário - Chama 1 permanece na mesma posição; Controle da vazão, velocidade e pressão de cada uma das frações de ar primário.
- 33. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Ajuste da Direção X Posição desejável Posição errada
- 34. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Chama Chama Ajuste da Chama • Ajustar a chama somente com o forno estável; • Fazer ajustes graduais do maçarico; • Chama não deve ir de encontro ao material nem ao refratário; Temperatura da chama Coloração Temperatura (o C) Vermelho claro 475o C Vermelho claro a escuro 475 - 650o C Vermelho escuro brilhante 650 – 825o C Laranja 825 – 900o C Amarelo 900 – 1090o C Amarelo claro 1090 – 1320o C Branco 1320 – 1540o C Branco ofuscante Acima 1540o C •Aumentar temp. ar secundário; •Usar menos ar primário; •Melhorar desenho queimador;
- 35. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Clinquerização Clinquerização Tempo Temperatura Minerais sintéticos com propriedades hidráulicas - clínquer Minerais Naturais Etapa 1: • Redução Granulométrica; • Decomposição térmica; • Rearranjo estrutural; • Fusão; Etapa 2: • Formação de produtos intermediários; • Formação e crescimento cristais; • Cristalização da fase líquida.
- 36. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Clinquerização Clinquerização • Características das matérias-primas (granulometria, queimabilidade, etc); • Quantidade e viscosidade da fase líquida; • Perfil de temperatura do forno; • Atmosfera do forno; • Tipo de combustível; • Característica da chama; Mistura Crua (20ºC) Reagentes + Produtos + Produtos Intermediários (450 – 1300ºC) Alita + Belita + Fase Líquida (1450ºC) Clínquer resfriado
- 37. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Clinquerização Clinquerização Temperatura (o C) Processo > 200 Evaporação de água livre 100 - 400 Perda de água adsorvida 400 - 900 Perda de água combinada > 500 Mudança e decomposição das estruturas dos minerais de argila 600 - 900 Decomposição dos carbonatos > 800 Formação de belita e produtos intermediários > 1260 Início de formação de fase líquida 1450 Formação de alita 1300 - 1240 Resfriamento
- 38. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Produtos da Clinquerização Produtos da Clinquerização • Alita - C3S • Belita - C2S • Fase Líquida - C3A e C4AF • CaO livre • Periclásio Produtos intermediários (entre outros) Produtos intermediários (entre outros) • CaSO4; • K2SO4; • Na2SO4; • KCl;
- 39. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Zonas do Forno Zonas do Forno zona de calcinação (CZ); zona de aquecimento (HZ); zona de fase líquida (U); zona de temperaturas máximas (MZ); • zona de resfriamento (AZ). FORNO SEM PRÉ-CALCINADOR FORNO COM PRÉ- CALCINADOR
- 40. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Termoquímica da Clinquerização Termoquímica da Clinquerização Processos Endotérmicos Kcal/ Kg de clinquer Deshidratação das argilas 40 Descarbonatação da calcita 475 Aquecimento da mistura crua até 1450°C 490 Aquecimento da massa fundente 25 Soma 1030 Processos Exotérmicos Cristalização da argila deshidratada 10 Calor de formação dos cristais de clinquer 100 Cristalização da fase líquida 25 Resfriamento do clinquer 335 Resfriamento do CO2 do calcáreo 120 Resfriamento da H2O das argilas 20 Soma 610 Calor total para a formação do clinquer: (proc.endotérmicos-proc. exotérmicos) + 420
- 41. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Estrutura do Balanço Térmico Estrutura do Balanço Térmico Volume de Controle Torre de Ciclones, Forno e Resfriador de Clínquer Calor sensível da farinha, ar e combustível Calor de combustão do combustível Radiação da torre de ciclones, forno e resfriador Gases de saída do forno Ar de excesso do resfriador Perda com clínquer Calor de Reação
- 42. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Balanço Térmico Global Balanço Térmico Global Queima de Combustível 780 Kcal/kg ENTRADAS Calor latente (ar./comb./far.) 20 c/ gases do Forno 180 c/ pó nos gases de saída 10 Radiação (Forno ) 60 Radiação (pré-aquecedor) 25 Radiação do resf. unax 75 c/ Clínquer 30 Reação Química 420 SAIDAS Total Saídas 800 Kcal/kg
- 43. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Balanço Térmico no Resfriador Balanço Térmico no Resfriador kcal/ kg clinquer Entradas Unax Grelha Calor contido no clinquer que vem do forno 1400°C 360 360 Saídas Calor contido no clinquer que sai da grelha 40 20 Calor no excesso de ar da grelha 0 90 Calor perdido por radiação 75 5 Calor contido no ar secundário 245 245 Recuperação de calor : (245/360) = 0.68 Rend. = 68% Rend. = 68%
- 44. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Materiais Refratários Materiais Refratários Proteção do casco do forno das elevadas temperaturas; Proteção do casco do forno contra o ataque de gases e líquidos agressivos; Proteção do casco do forno contra abrasão mecânica; Redução das perdas de energia pelo casco do forno. Tempo de Vida dos Refratários Qualidade dos Componentes “Design” do Refratário Qualidade de fabricação Instalação do refratário Seleção do refratário Condições de Serviço Térmicas – Químicas - Mecânicas Responsabilidade do Fabricante Responsabilidade do Usuário
- 45. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Materiais Refratários - Grupos Designação Composição Alta alumina – Grupo 1 Al2O3 > 56% Alta alumina – Grupo 2 45% < Al2O3 < 56% Argila calcinada 30% < Al2O3 < 45% Argila calcinada baixa alumina 10% < Al2O3< 30% / SiO2< 85% Produto silicoso 85% < SiO2 < 93% Grupo Ácido Alta sílica SiO2 > 93 % Magnesita MgO > 80% Magnésio-Cromo 55% < MgO < 80% Cromo-Magnésio 25% < MgO < 55% Cromo Cr2O3 > 25% / MgO < 25% Grupo Básico Forsterita MgO . SiO2 Produtos Especiais Produtos Especiais à base de: Silicato de Zircônio Dióxido de Zircônio Nitritos
- 46. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Desgaste em Materiais Refratários Desgaste em Materiais Refratários Ataques Químicos • Infiltração de líquidos, • Condensação de álcalis, • Ataque de CO2/SO3 Danos térmicos • Sobreaquecimento; • Choque; Danos Mecânicos • Deformação do forno/expansão térmica
- 47. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Reações químicas de ataque a refratários Reações químicas de ataque a refratários Ataque de SO3 4 3 2 3 3 2 2 . . 2 CaSO O Al CaO SO O Al CaO 4 3 2 3 3 2 2 2 . CaSO O Al SO O Al CaO Deterioração por álcalis 2 3 2 2 2 2 2 3 2 2 . . 3 4 3 2 . 3 SiO O Al O K SiO O K SiO O Al 2 3 2 2 2 2 3 2 2 . . 2 SiO O Al O K SiO O K O Al % 29 Volume % 5 , 2 Volume Ataque de atmosfera redutora em tijolos magnesianos Ataque de gases em tijolos dolomíticos
- 48. FORNOS – MÓDULO TEÓRICO FORNOS – MÓDULO TEÓRICO Programa Trainee 2000 – Engenharia de Processo Emprego de tijolos refratários em fornos de clínquer Emprego de tijolos refratários em fornos de clínquer • Pré-aquecedores de ciclones • Zona de pré-calcinação • Zona de transição • Zona de clinquerização • Zona de resfriamento