Desenvolvimento de um Programa de Computador para o Dimensionamento de Fornos de Cal Verticais

Desenvolvimento de um Programa de Computador para o Dimensionamento de Fornos de Cal Verticais Anne-Sophie Vilela Dissertação de Mestrado Orientador na FEUP: Prof. Carlos Pinho Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica fevereiro 2016 ii ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais i Resumo A presente dissertação tem como principal objetivo a criação de um programa de dimensionamento de fornos de cal vertical, que seja bastante versátil e que permita avaliar o comportamento térmico deste tipo de forno sob diferentes condições operacionais, para servir como uma ferramenta auxiliar no projeto e na avaliação da viabilidade técnica. O foco da utilização do programa de simulação desenvolvido neste trabalho é o projeto de um forno vertical para a produção de cal, deste modo, é apresentada uma revisão da utilização da cal. Assim, uma revisão da utilização da cal é apresentada. O modelo matemático e o funcionamento geral do programa de simulação computacional de fornos verticais desenvolvido neste trabalho são descritos e os resultados das simulações realizadas são apresentados como estudos da geometria e do comportamento térmico do forno vertical. Finalmente, com base nos dados levantados no decorrer deste trabalho e nos resultados das simulações computacionais são sugeridas algumas recomendações de projeto para o forno vertical para a produção de cal, tendo em vista o aumento da qualidade do processo de calcinação. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais ii ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais iii Abstract This work aims at the development of a heat transfer simulation software for shaft kilns, capable of simulating kilns under different operational conditions, to serve as an auxiliary tool in the design and technical evaluation of lime kilns. The use of the simulation software developed in this work is focused in the design of shaft kilns. Thus, the currant usage of lime is reviewed. The mathematical model and the main routines of the shaft kiln simulation program are described, and the results of several simulations are presented as case studies concerning the thermal behavior of the shaft kiln in the proposed production site. Finally, based on the data collected during this work and in the computational simulation results, some design recommendations for the lime producing shaft kiln are suggested, aiming at enhancing the quality of the lime obtained and reducing the energy consumption. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais iv ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais v Agradecimentos Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador, Professor Doutor Carlos Pinho, por todo o seu apoio, disponibilidade e dedicação demonstrada ao longo não só desta dissertação mas também ao longo do meu percurso académico. Ainda um obrigado pela disponibilização de muitos recursos bibliográficos e incentivos permanentes. Em seguida agradeço ao meu amigo Eng. Bruno Fernandes pela ajuda prestada na construção do programa e esclarecimento de dúvidas de programação. A sua colaboração foi imprescindível na realização desta dissertação. Agradeço ao meu amigo e colega Rui Ramos pelo companheirismo e pelas longas horas durante esta jornada, no meu percurso académico. Agradeço aos meus pais, pelo amor incondicional, incentivo e apoio constante a cada dia. Ainda pelo suporte e sustento da minha vida. Os meus sinceros agradecimentos. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais vi ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais vii Índice Resumo ............................................................................................................... i Abstract ............................................................................................................ iii Agradecimentos ................................................................................................ v Nomenclatura ................................................................................................ xvii Capítulo 1 ........................................................................................................... 1 Introdução ......................................................................................................... 1 1.1. – Motivação ............................................................................................. 2 1.2. – Objetivo ................................................................................................ 2 1.3. – Estrutura da dissertação .................................................................... 3 Capítulo 2 ........................................................................................................... 5 A cal ................................................................................................................... 5 2.1. – Introdução ............................................................................................ 5 2.2. – História ................................................................................................. 6 2.3. – Origem mineral .................................................................................... 7 2.4. – Componentes da cal ........................................................................... 8 2.4.1. – Características físico-químicas ....................................................... 8 2.5. – Aplicações da cal ................................................................................ 9 2.6. – Técnicas de produção ...................................................................... 13 2.6.1 – Extração, desmonte e britagem ..................................................... 13 2.6.2. – Fornos de calcinação .................................................................... 15 2.6.2.3. – Fornos verticais ........................................................................... 17 Capítulo 3 ......................................................................................................... 35 Forno vertical .................................................................................................. 35 3.1. – Introdução .......................................................................................... 35 3.2. – Seleção de forno ............................................................................... 38 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xiv ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xv Lista de tabelas Tabela 2.1 - Classificação das rochas carbonatadas cálcio-magnesianas (Guimarães, 2002). ...................................................................................... 8! Tabela 2.2 - Características físicas e químicas da cal (Guimarães, 2002). ........ 9! Tabela 2.3 - Aplicações da cal (Boynton,1980). ............................................... 11! Tabela 2.4 - Caraterísticas de produção de um forno de calcinação West (Perona, 1976). .......................................................................................... 21! Tabela 3.1 - Sumário das características dos tipos de fornos mais comuns (G – Gasoso, L – Líquido, SSólido) (European Commission, 2013). ...... 36! Tabela 3.2 - Número de Instalações de produção de cal na União Europeia em 2003 (European Commission, 2013). .................................................. 37! Tabela 3.3 - Distribuição de combustível usada na queima de cal na EU-27 em 2003 (European Commission, 2013). .................................................. 38! Tabela 4.1 - Pressão de equilíbrio do CO2 na calcinação (Beach, 1983). ........ 52! Tabela 4.2 - Quantidade de calcário calcinada a cada hora (Predescu, 1989). ......................................................................................................... 69! Tabela 4.3 - Valores estimados da dissociação e sinterização após 10 h a 1200 ºC (Oates, 1998). .............................................................................. 70! Tabela 5.1 - Caraterísticas de empacotamento (Yang, 2003). ......................... 73! Tabela 5.2 - Composição típica de um gás natural (Trangás) .......................... 79! Tabela 5.3 – Composição dos produtos da combustão. ................................... 80! Tabela 7.1 - Dados de entrada. ...................................................................... 102! Tabela 7.2 – Resultados obtidos da simulação. ............................................. 102! Tabela 7.3 - Comparação dos resultados obtidos. ......................................... 103! ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xvi Tabela 7.4 - Comparação de resultados em relação ao excesso de ar na combustão. .............................................................................................. 104! Tabela 7.5 - Valores das propriedades físicas dos gases para diferentes valores de excesso de ar. ........................................................................ 105! ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xvii Nomenclatura 𝐴!! Área!seção!reta!do!forno! [m2]! 𝐴!! Área!da!base! [m2]! 𝐶𝑝 Calor!específico! [kJ/kg]! 𝐶𝑝!! Calor!específico!dos!produtos!de!combustão! [kJ/kg]! 𝑑!! Diâmetro!da!pedra! [m]! 𝐷! Diâmetro!do!forno!! [m]! 𝑒! Excesso!de!ar!na!combustão! ! 𝐹 !!! Fator!de!forma! ! 𝑔! Aceleração!gravítica! [m2/s]! 𝐺𝑟! Número!de!Grashof! [!-!]! 𝐻 Altura!do!forno! [m]! 𝐻! Altura!da!zona!i! [m]! ℎ!"#! Coeficiente!de!transferência!de!calor!no!exterior!do!forno! [W/(m2K)]! ℎ!"! Coeficiente!de!transferência!de!calor!efetivo! [W/(m2K)]! ℎ! Coeficiente!de!transferência!de!calor!da!zona!i! [W/(m2K])! ℎ!"# Coeficiente!de!transferência!de!calor!no!interior!do!forno! [W/(m2K)]! 𝑘!! Condutividade!térmica!do!fluido!(ar)!na!zona!i! [W/(m!K)]! 𝐾𝑑! Fator!pré-exponencial!da!taxa!de!decomposição!do!calcário! [mol/(m2! atm!s)]! 𝑘!!! Condutibilidade!térmica!do!ar!ambiente! [W/(m!K)]! 𝑘! Condutibilidade!térmica!do!gás!de!combustão! [W/(m!K)]! 𝑘!!! Condutibilidade!térmica!do!tijolo!refratário!1! [W/(m!K)]! 𝑘!!! Condutibilidade!térmica!do!tijolo!refratário!2! [W/(m!K)]! 𝐿!! Comprimento!característico!da!geometria!(altura!do!forno)! [m]! 𝐿!!! Comprimento!do!refratário1! [m]! 𝐿!!! Comprimento!do!refratário2! [m]! 𝑚!!! Caudal!de!fluido!(ar)!na!zona!i! [kg/s]! 𝑚!"#$! Caudal!de!combustível! [kg/s]! 𝑀!! Massa!molar! [kg/kmol]! 𝑚!! Caudal!dos!produtos!da!combustão! [kg/s]! 𝑚!! Massa!dos!produtos!da!combustão! [kg]! 𝑚!!!! Caudal!de!CO2! [kg/s]! 𝑚!! Caudal!total!do!fluido!na!zona!de!pré-aquecimento! [kg/s]! ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xviii 𝑁!! Número!de!esferas!por!unidade!de!volume!do!leito! [!-!]! 𝑛!!! Número!de!pedras!no!forno! [!-!]! 𝑛!!! Número!de!pedras!na!zona!de!calcinação! [!-!]! 𝑁𝑢 Número!de!Nusselt! [!-!]! 𝑃𝐶𝐼! Poder!calorífico!inferior!do!combustível! [kJ/kg]! 𝑃𝑟 !! Número!de!Prandtl!na!zona!i! [!-!]! 𝑃 !! Pressão!no!interior!do!forno! [atm]! 𝑃 !"! Pressão!de!equilíbrio!do!CO2! [atm]! 𝑄! Quantidade!de!energia! [W]! 𝑞! Fluxo!de!calor!na!zona!de!calcinação! [W/m2!K]! 𝑅! Raio!interior!do!forno.! [m]! 𝑅𝑎! Número!de!Rayleigh! [!-!]! 𝑅!! Taxa!de!reação!de!calcinação! [mol/m2s]! 𝑟 !! Rácio!cal!–!calcário!! [kg]! 𝑟 !!!! Rácio!dióxido!de!carbono!–!calcário!! [kg]! 𝑟 ! Parâmetro!de!tempo! [s]! 𝑅𝑒!! Número!de!Reynolds! [!-!]! 𝑅!"#$!" ! Resistência!térmica!parede!exterior!–!ambiente! [m2 K/W] 𝑅!"#$!"#! Resistência!térmica!inteiro!–!parede!inteiro! [m2 K/W]! 𝑅!"#$!"#! Resistência!térmica!do!tijolo!refratário! [m2 K/W]! 𝑅!"#$!"#! Resistência!térmica!do!isolamento! [m2 K/W]! 𝑡 Tempo!de!residência! [h]! 𝑇 !"#! Temperatura!do!ar!ambiente! [°C]! 𝑇 !!!!! Temperatura!do!fluido!(ar)!à!entrada!da!zona!de!calcinação! [°C]! 𝑇 !!!!! Temperatura!dos!gases!à!saída!da!zona!de!calcinação! [°C]! 𝑇 !!! Temperatura!do!fluido!(ar)!à!entrada!da!zona!de! arrefecimento! [°C]! 𝑇 !!! Temperatura!dos!gases!de!escape! [°C]! 𝑇 !"#! Temperatura!na!zona!de!calcinação! [°C]! 𝑇 !"#! Temperatura!da!parede!exterior!do!forno! [°C]! 𝑇 !!! Temperatura!da!partícula!à!entrada!do!forno!(zona!de!préaquecimento)! [°C]! 𝑇 !!!!! Temperatura!da!partícula!à!saída!da!zona!de!calcinação! [°C]! 𝑇 !!!!! Temperatura!da!partícula!à!entrada!da!zona!de!calcinação! [°C]! 𝑇 !!! Temperatura!da!partícula!à!saída!da!zona!de!arrefecimento! [°C]! 𝑈 !!! Velocidade!do!fluido!na!zona!i! [m/s]! 𝑉 !"!!! Volume!líquido!do!forno! [m3]! 𝑉 !"!!! Volume!líquido!da!zona!de!calcinação! [m3]! 𝑉 !! Volume!de!uma!partícula!(pedra)! [m3]! 𝑉! Volume!total!do!forno! [m3]! 𝑉 !! Volume!da!zona!de!calcinação! [m3]! 𝑋!! Fração!molar! [!-!]! 𝑌 !! Fração!mássica! [!-!]! ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xix Letras gregas 𝛼 Majoração para perda de carga (fator de segurança) [ - ] 𝛽 Coeficiente de expansão volumétrica [K-1] ∆!! Perda de carga na zona i [Pa] 𝜀 Porosidade [ - ] 𝜖 Emissibilidade [ - ] 𝜃!"# Energia necessária para produzir uma quantidade de CaO [kJ] 𝜃!"#çã! Energia necessário no processo de decomposição do calcário [kJ/kg CaO] 𝜗 Área de transferência por unidade de volume [m2/m3] 𝜇 Viscosidade dinâmica do gás de combustão [N s/m2] 𝜇! Viscosidade dinâmica do fluido (ar) na zona i [N s/m2] 𝜐 Viscosidade cinemática do fluido (ar) [m2/s] 𝜌!"!!! Massa específica do CaCO3 [kg/m3] 𝜌!! Massa específica do fluido [kg/m3] 𝜌!" Massa específica do Gás Natural [kg/m3] 𝜎 Constante de Stefan-Boltzmann [W/(m2K4) ] 𝜙!" Coeficiente de Wilke [ - ] Índices i Zonas do forno (1=arrefecimento, 2=calcinação, 3=préaquecimento) amb Ambiente exterior ao forno g Fluido gasoso c Zona de calcinação int Ambiente no interior do forno p Partícula par Parede do forno Siglas GN Gás Natural ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais xx ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 1 Capítulo 1 Introdução A cal, o principal produto da calcinação, é um produto muito versátil que se destaca em todo o mercado mundial, a sua produção ocorre através de fornos calcinatórios, os quais se encontram com diversas configurações construtivas e com diferentes produtividades. Ela está presente em quase todos os setores produtivos, desde a construção civil, tratamento de águas, agricultura, alimentação e infinitas outras aplicações. A calcinação do calcário, que apresenta como principal componente o óxido de cálcio, ocorre dentro de fornos específicos de calcinação a temperaturas elevadas (entre 900 e 1200°C). Os fornos verticais são os que mais se destacam na indústria de produção de cal e são a tecnologia mais antiga, adequando-se normalmente às exigências do mercado, nomeadamente as respeitantes à qualidade da cal. Os fornos são revestidos internamente por tijolos refratários que protegem as placas metálicas do forno e mantêm a temperatura interna dentro dos valores necessários ao processo tecnológico em questão. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 2 1.1. – Motivação O forno vertical é vastamente utilizado na indústria. Apesar de ter sido usado na indústria desde séculos, tem havido poucos trabalhos de pesquisa sobre este tipo de fornos. Os produtores de cal partilham uma preocupação quanto à quantidade e qualidade do produto final. Uma vez que a qualidade e as características da cal varia consideravelmente, os produtores muitas vezes utilização testes químicos e físicos para garantir as exigências do produto final. A maior parte destes testes são muito demorados e bastantes dispendiosos. A fim de reduzir custos desde o início da produção os produtores devem tomar todas as hipóteses, por isso a utilização de um programa de simulação para satisfazer as suas necessidades, antes ou na fase de projeto de um novo forno é fundamental. Uma alternativa viável a um complexo programa de simulação é o desenvolvimento de algoritmos de cálculo pelos próprios construtores ou utilizadores. 1.2. – Objetivo A monografia apresentada tem como principal objetivo o desenvolvimento de um programa de computador para o dimensionamento de fornos verticais de cal. O programa de simulação foi desenvolvido como uma ferramenta de auxílio ao projeto térmico do forno vertical tradicional, permitindo avaliar o seu comportamento térmico e capacidade de produção, com vista a um aumento da qualidade do processo de calcinação. A utilização desta ferramenta na fase de projeto de um forno permite a redução das incertezas de projeto e uma melhor avaliação da sua viabilidade técnica e económica, ao permitir a fácil obtenção de uma série dimensões e potências de operação, que permitam ao projetista uma escolha expedita da solução mais adequada. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 3 1.3. – Estrutura da dissertação A presente dissertação encontra-se dividida em 8 capítulos, conforme se descreve sinteticamente de seguida. O Capítulo 1 introduz o tema, descrevem-se os objetivos e motivações da presente dissertação. Apresenta-se o resumo de cada um dos capítulos da dissertação. No Capítulo 2 é apresentado uma revisão bibliográfica sobre os principais temas desta dissertação, nomeadamente, a cal. Assim, é exibida uma abordagem à sua história, origem mineral, componentes e aplicações. De seguida, faz-se uma breve descrição das técnicas de produção de cal, como extração, desmonte e fornos de calcinação. No Capítulo 3 é apresentado o tipo de forno projetado nesta tese, tanto a sua vertente geométrica, como no que se refere à sua adaptação a um modelo numérico. No Capítulo 4 prossegue-se com o processo de calcinação, onde são expostos vários aspetos relativos ao processo. Inicialmente é apresentado uma pequena introdução, a degradação térmica. O formato e distribuição do tamanho da partícula é também tido em consideração. Finalmente, são destacados os aspetos referentes à cinética de calcinação e fatores que a influenciam. No Capítulo 5 são descritos, de forma genérica, os modelos matemáticos utilizados na simulação, sendo apresentadas as formas básicas das equações, assim como o modelo escolhido para a combustão. O processo de cálculo iterativo é descrito de forma simplificada. No Capítulo 6 é apresentado, de uma forma pormenorizada, o desenvolvimento do programa, as suas funcionalidades e por fim o seu aspeto gráfico. No Capítulo 7 são apresentados os resultados obtidos da simulação numérica e finalmente no Capítulo 8 apresentam-se as conclusões resultantes da realização desta dissertação, bem como sugestões para um trabalho futuro a realizar nesta área. Esta tese contém ainda Anexos, onde se encontram informações que foram consideradas como secundárias para o corpo principal da dissertação, mas que servem de complemento ao trabalho realizado. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 10 ingrediente no bicarbonato de sódio e ajuda a preservar a frescura de frutas e vegetais; e) Indústria de tratamento de água residuais: A cal neutraliza resíduos ácidos gerados na indústria geral impedindo assim a corrosão e protegendo o meio ambiente. Também remove a sílica, o manganês, os fluoretos, e o ferro entre outras impurezas na água; f) Indústria de extração de metais: A cal serve como forma de incrementador da flutuabilidade na recuperação de cobre, mercúrio, zinco, níquel, cumbo, ouro e prata; g) Fabrico de papel: Os fabricantes de celulose e papel usam cal para recuperar hidróxido de sódio durante a conversão das aparas de madeira para celulose. A cal é um branqueador ou alvejante da celulose e dissolve também os componentes não-celulósicos da palha e desintegra as fibras durante o fabrico de papelão e cartão; h) Controlo da poluição: A cal é usada para absorver dióxido de enxofre dos gases de escape de fundições e centrais termoelétricas; i) Construção de estradas: A cal converte a argila instável em subclasses para eliminar a formação de torrões. Cria um solo que não se deforma (não encolhe nem dilata). Pode fornecer uma ação de cimentação que estabiliza o solo numa camada firme impermeável à penetração da água; j) Tratamento de esgotos: A cal reduz a poluição ao remover matéria orgânica, fosfatos e compostos azotados provenientes das águas residuais. Evita o excesso de vegetação nos lagos, controla odores de estações de tratamento de água residuais; k) Estabilização de solos: A cal pode ser utilizada para estabilizar solos encharcados; l) Indústria metalúrgica: A cal é utilizada como fluxo de purificação do aço e para remover impurezas de fósforo, enxofre e silício. Lubrifica as hastes de aço à medida que estas são puxadas através de matrizes para formar fio. Como um revestimento, para impedir lingotes nos moldes durante a fundição de ferro. Um banho de cal neutraliza os traços de decapagem aderente aos produtos de aço; m) Indústria dos curtumes: Remove pelos e peles gordas na preparação para a curtimenta do couro; n) Tratamento da água: A cal trata de água industrial potável e de abastecimento, incluindo água potável para residências e água para ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 11 processos industriais. Suaviza a água removendo a dureza, os bicarbonatos e desinfeta a água contra as bactérias. As suas aplicações chegam quase a uma centena, conforme a Tabela 2.3. Tabela 2.3 - Aplicações da cal (Boynton,1980). APLICAÇÕES DA CAL Agentes de Processos Químicos e Físico-químico Sector de Consumo Absorção Branqueamento Remoção do SO2, SO3 Processo sulfito (fabricação de papel) Armazenamento de frutas Matéria-prima Borracha Cimento Alimentos Cianamida cálcica Álcalis Tintas Carbureto de cálcio Inseticidas Abrasivos Vidro Desidratação Secagem de ar Borracha Solventes orgânicos Álcool Floculação Açúcar Flotação de minérios Tratamento de águas residuais Tratamento de água para fins potáveis Tratamento de esgotos Pigmentos de tintas Fluxo Fornos de aço LD – BOF Fornos de aço Martin-Simens Fornos de aço elétricos Sinterização Metais não ferrosos ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 12 Lubrificação Lama de sondagens Trefilação de arames Aglomeração Argamassa de assentamento Reboco e emboço Misturas asfálticas Matérias isolantes Misturas solo-cal Produto com silicato cálcio Tijolo silico-cal Peletização de minério de ferro Estuques Neutralização Ácido cítrico Tratamento de águas Fertilizantes Resíduos de decapagem de metais Resíduos de explosivos Laticínios Drenagem de águas de minas Resíduos radioativos Resíduos de urânio Calagem Resíduos de cromo Resíduos de corantes Solução Gelatinas Couro (despelador) Tintas à base de caseína Papelão Causticação Recuperação de hidróxido de sódio Processo de sulfato e soda (fabricação de papel) Lavagem alcalina Hidrolisar Produtos de celulose Graxa lubrificante Compostos derivados de cloro Curtumes ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 13 2.6. – Técnicas de produção Após a extração da jazida, a pedra calcária é transportada até à fábrica para ser submetida a um processo de britagem. De seguida, pode ser moída e embalada para comercialização, ou pode levar-se até ao forno de calcinação para ser transformada. Após a calcinação, a cal pode ser moída e comercializada na forma de cal, ou pode ainda sofrer um processo de hidratação e ser finalmente comercializada (Figura 2.1). Figura 2.1 - Sequência de fabrico da cal. 2.6.1 – Extração, desmonte e britagem A extração da rocha calcária pode ser feita a céu aberto ou em galeria, através da exploração da jazida de calcário. Para que a extração do calcário seja de alta qualidade, há que efetuar primeiramente um rigoroso processo de seleção do calcário e uma limpeza total da rocha, para que se alcancem as características físicas e químicas necessárias às diversas aplicações da cal. Depois de limpa, a rocha é perfurada e o pé expelido é recolhido para a realização das análises em laboratório. Verificada a qualidade do material, fazJazidas de calcário Extração e Desmonte Britagem Calcinação Cal ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 14 se o desmonte da rocha, por meio de detonação com recurso a explosivos. (Figura 2.2) Figura 2.2 - Operações de extração e desmonte (LNEG, 2015) A rocha desmontada é levada, de seguida, para uma britagem primária. A britagem é um processo de fragmentação da pedra calcária. É realizada em britadores, onde é feita a seleção, por meio de peneiros vibratórios, da pedra destinada aos diversos produtos. Esta etapa tem por objetivo retirar as impurezas do processo e classifica o calcário por diferentes especificações granulométricas, até a obtenção da bitola de calcário apropriada ao processo de calcinação. Este processo pode ser dividido em várias etapas de britagem e estas etapas são diferenciadas pela sua capacidade de redução das pedras para a classificação em peneiras dimensionadas para cada produto final. Após a pré-moagem nos britadores, o calcário segue para a segunda fase de moagem em equipamentos denominados de moinhos. Estes proporcionam uma moagem mais precisa, ou seja, o produto sai do moinho com uma granulometria mais uniforme. Os finos que não são utilizados no processo de calcinação são destinados à venda como agregados e também para a produção de calcário agrícola. As correias transportadoras são responsáveis por fazer o transporte do material da zona de britagem até aos fornos de calcinação. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 15 2.6.2. – Fornos de calcinação A calcinação dos calcários pode ser levada a cabo em fornos contínuos, sendo que estes podem ser verticais ou horizontais. 2.6.2.1. – Fornos industriais À época da construção das pirâmides egípcias, utilizando-se lenha e depois o carvão como combustível, certamente os meios de produção do conhecido “pó-branco” dos calcários elevou-se do solo para grandes piras com 1,5 a 2 metros de altura e igual diâmetro. No interior das piras, troncos e galhos de árvores eram habitualmente entremeados com carvão mineral, dispostos com leitos de pedra calcária e depois incendiados, a dosagem dos combustíveis era feita pela prática. O fogo era iniciado com ajuda de um tronco de madeira colocado entre os componentes da carga da pira e durava até o consumo total do combustível, quando restavam apenas finas cinzas e blocos de “pó-branco”. Este sistema primitivo de calcinação atravessou muitos séculos (Guimarães, 2002). Em centros de desenvolvimento houve um grande progresso dos fornos, que passaram por inovações relevantes. Transformaram-se em estruturas de grande porte, encravadas ou não na meia encosta dos terrenos; ganharam revestimentos, chaminés para melhorar a tiragem; aparelhos para tiragem forçada; interdependência entre os focos de calor, de descarga de cal e de cinzas; e novos combustíveis passaram a ser utilizados. Toda essa evolução dos modelos de fornos foi dirigida no sentido da economia de combustível, da eficiência térmica e da qualidade de cal (Guimarães, 2002). 2.6.2.2. – Fornos de barranco Os fornos de barranco, designados assim por inicialmente se apoiarem em encostas, são geralmente intermitentes e de forma troncocónica, com 4 ou 5 metros de altura, abertos, e as chamas a chegarem às proximidades do teto. Estes são grandes devoradores de combustível, tanto quando este é misturado com a carga e, principalmente, quando queimado em fornalhas laterias. Em alguns casos, os fornos intermitentes não eram apoiados nos barrancos, como os tipo “pote”. Eram construídos isolados numa plataforma (Guimarães, 2002). Desta forma, a carga com o diâmetro superior a 150 mm podia ser empilhada manualmente no interior do forno ou repousar sobre uma abóbada, também feita com trabalho manual e com pedras devidamente escolhidas. No primeiro caso, este possui aberturas frontais que funcionam como fornalha e depois da ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 16 queima servem para descarga. No outro, a abóbada serve como teto de uma fornalha com um pequena abertura para introdução do combustível. Ambos os tipos possuem uma cavidade inferior para recolher as cinzas. O seu altíssimo consumo de combustível, variável entre largos limites, pode alcançar o equivalente a 5 m3 de lenha por tonelada de cal (Guimarães, 2002). A Figura 2.3 apresenta um forno de barranco em cuba ovoide de alvenaria, com dispositivo para impedir a penetração de água das chuvas e forçar a passagem dos gases pelos canais laterais de tiragem. Figura 2.3 - Forno de barranco em cuba ovoide de alvenaria (Guimarães, 2002). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 17 2.6.2.3. – Fornos verticais Enquanto em muitas regiões do mundo os fornos descontínuos ainda são responsáveis pela produção de cal, em alguns países europeus, sulamericanos e norte-americanos a calcinação de calcários passou a ser feita em fornos de características estruturais e térmicas mais aperfeiçoadas. Os fornos ganharam mais altura, forma cilíndrica ou poligonal, revestimento de tijolos refratários, três ou mais zonas de queima, cinzeiro, carga e descarga semiautomática, funcionando em produção contínua. Os modelos de fornos contínuos de alvenaria, bem como os seus sistemas de queima (tiragem, combustíveis, carga, descarga, isolamento térmico) foram melhorados desde o fim do século XIX em todo o mundo, até culminarem com os modernos fornos de calcinação, já com estrutura metálica e zonas definidas de préaquecimento, calcinação e arrefecimento. Na Figura 2.4, exibem-se modelos de fornos verticais contínuos, de alvenaria ou revestidos com chapas de aço, publicados em Theory and Practice of Lime Manufacture por Lowel Andrew e N, C, Rockwood, em 1946 na American Society of Mechanical Engineers. (Guimarães, 2002). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 18 Figura 2.4 - Tipo de fornos contínuos verticais para a produção de cal (Guimarães, 2002). A modernização da produção de cal começou com o aparecimento de instalações com fornos verticais metálicos contínuos, com as seguintes características: tiragem forçada, formas cilíndricas, camisas de refratários, carga e descarga automática, zonas de armazenamento / pré-aquecimento / calcinação / arrefecimento da cal (que permitem a recuperação de calor perdido nos gases e no calcinado) e capacidade de produção de até 700 toneladas por dia (Perona, 1976). A alimentação destes fornos mais modernos é feita com minério, geralmente de 50 a 100 mm. As Figura 2.5 e Figura 2.6 apresentam um esquema do forno vertical da marca AZBE. A Figura 2.7 exibe um esquema de outro forno da marca West, sendo apresentadas algumas características do mesmo na Tabela 2.4 (Perona, 1976). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 19 Figura 2.5 - Forno de calcinação AZBE (Perona, 1976). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 26 Posteriormente, outras empresas replicaram esta tecnologia, como a Kawasaki Heavy Industries Ltda. Um esquema do forno em leito fluidizado produzido pela Kawasaki pode ser visualizado na Figura 2.11 (Kawasaki, 1983). Figura 2.11 - Forno de calcinação em leito fluidizado da Kawazaki (Kawasaki, 1983). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 27 Um forno de modelo patenteado pela Calcimatic International Limited, de Nassau, apresenta uma forma circular de grande diâmetro, câmaras de calcinação rotativas revestidas de refratários e dispostas circularmente, podendo ser operadas em várias velocidades, de 35 a 200 RPM. Após uma rotação completa, a calcinação está concluída. Através de instrumentação precisa, as temperaturas podem ser mantidas uniformes nas diferentes zonas do forno durante o giro. O controlo de temperatura e da rotação permite a calcinação de pedras de várias dimensões ou a obtenção de cal de qualquer característica desejada, isto é, de dura a macia (Kinsler, 1991). Esse modelo de forno pode ser visto através do esquema descrito na Figura 2.12. A identificação técnica do forno, segundo o fabricante, é a seguinte: a. Razão granulométrica: 3:1; b. Temperatura de calcinação: 960 ºC no interior da câmara; c. Consumo de combustível: 6070,9 kJ/kg de cal; d. Capacidade: 100, 200, 250 e 300 t/dia; e. CO2 residual: menor ou igual a 1%. Figura 2.12 - Esquema de forno horizontal de câmara rotativa desenvolvido por Calcinatic International Limited (Kinsler, 1991). De origem alemã, o forno Hoffman ou “de anel”, foi inventado em 1865 como um modelo característico de forno horizontal de câmara fixa. O seu princípio é o de um forno túnel (circular, elíptico ou retangular), no qual os gases quentes da queima dos combustíveis sólidos percorrem lentamente o túnel, pré-aquecendo e calcinando a carga de calcário. O túnel de 2 a 3 metros de altura é dividido em 12 a 20 câmaras, carregadas manualmente através de aberturas nos arcos, formando pilares com ou sem recheio de combustível. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 28 Dependendo da experiência do operador, a calcinação pode evoluir à razão de 0,5 m a 1,2 m por hora, passando por todas as câmaras (Schwarzkorf, 1978). Segundo Boynton (1980), este forno apresentava um menor índice de contaminação da cal pelas cinzas, numa época em que predominavam os equipamentos de cargas misturadas. A sua produção diária era da ordem de 25 a 80 toneladas, com excessiva exigência em mão-de-obra, razão pela qual o modelo teve pouca evolução e aceitação. Apresenta-se a seguir, na Figura 2.13, uma planta esquemática do forno Hoffman. Figura 2.13 - Planta esquemática do forno Hoffman (Boynton, 1980). Vários outros tipos de fornos de fluxogramas e estruturas construtivas apareceram e, por vezes, desapareceram no sector industrial de calcinação da cal. Alguns, com ligeiras modificações dos modelos tradicionais, outros com completas alterações estruturais. Nos anos 1950 surgiu na Europa Central o forno húngaro, utilizando combustíveis de baixo poder calorífico, alto consumo energético (7451,5 kJ/t de cal) e carga de pedras de 50,8 x 76,2 mm. Na Alemanha surgiu o forno rotativo Fellner-Ziegler, com consumo energético de 6615 kJ/t de cal e, na Áustria, o grande forno vertical Wopfinger Stein Kalkwerke, de 5819,7 kJ/ t de cal de consumo de combustível (Schwarzkorf, 1978). Schwarzkorf (1978) apresenta fornos de diferentes conceções no fluxograma da carga, na evolução da calcinação: i. Fornos Hereshoff: usados principalmente na recuperação de cal hidratada residual de determinadas indústrias. Neste forno a carga percorre caminhos horizontais e verticais, em câmaras (4 a 12), acionada por pás com movimentos de rotação – 0,5 a 2 RPM. É alimentado por pedras de 91,44 a 63,5 mm, que atingem 900 ºC e produzem, em geral, até 500 toneladas de cal diariamente; ii. Fornos DSO: de dupla inclinação, capacidade de até 200 t/dia, consumo ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 29 de 4103 kJ/kg de cal, carga com granulometria de 16 a 30 mm, e temperatura de calcinação de 930 ºC (câmara superior) e 1130 ºC (câmara inferior). No seu interior a carga avança verticalmente passando de câmara para câmara através de uma rampa. Com uma altura de 17 m, o equipamento tem consumo energético de 48 kWh/t (172,8 kJ/kg); iii. Forno Kunnep-Chisaki: com o corpo em forma de anel tem movimento rotativo, intermitente e de pequeno ângulo, o que permite acumulação de carga proveniente de um silo colocado na parte superior. Vários êmbolos localizados na parede lateral empurram a carga progressivamente para o centro do corpo do forno, enquanto o movimento de rotação se processa e o material é acumulado na periferia do anel. Depois a carga é conduzida ao fundo do forno, através de zonas de aquecimento e calcinação. As suas características técnicas: produção de 25 a 30 t/dia; consumo de calor de 3977 kJ/kg de cal; combustível empregado é óleo combustível; granulometria da carga de 7 a 25 mm; rotação de 1 a 2 RPM. As figuras abaixo apresentam esquemas desses três tipos de fornos descritos anteriormente. Figura 2.14 - Forno calcinador DSO (Schwarzkorf, 1978). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 30 Figura 2.15 - Forno calcinador Hereshoff (Schwarzkorf, 1978). Figura 2.16 - Forno calcinador Kunnep Chisaki (Schwarzkorf, 1978). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 31 2.6.2.4 – Fornos rotativos Os primeiros modelos de fornos rotativos surgiram a meados do século XIX, com capacidade de produzir 100 toneladas por dia, aceitando carga com granulometrias menores e com princípios de calcinação semelhantes aos modelos atuais. Esses modelos são apresentados de seguida. Figura 2.17 - Modelo de forno rotativo da F. L. Smidth, produzido na Dinamarca (Smidth, 1975). Figura 2.18 - Forno rotativo modelo Ransome, de 1885 (Ciaccia et al, 1974). Os fornos rotativos são encontrados nos mais diversos processos que envolvem o processamento de sólidos. Estes incluem a secagem, a incineração, a calcinação, processos de sinterização, reações gás-sólidos, entre outros (Jauhari et al. 1998). A aplicação industrial mais comum e importante está presente na produção de cimento, sendo que a grande maioria dos produtos tem os fornos rotativos como equipamentos de escolha primordial. Outra aplicação importante de fornos rotativos é a incineração de resíduos sólidos, são populares neste ramo devido à sua alta flexibilidade. Podem processar uma grande variedade de materiais na alimentação, com valores de ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 32 poder calorífico variável, sem apresentar maiores dificuldades na remoção dos sólidos na saída do processo. Tipicamente, os incineradores de resíduos sólidos operam com leitos relativamente profundos, e possuem uma câmara de combustão secundária após o forno rotativo para melhorar a combustão heterogénea dos resíduos (Rovaglio et al. 1998). Os primeiros estudos publicados referentes a fornos rotativos estabeleciam a relação de interdependência entre a velocidade de rotação do forno, a sua inclinação axial, a profundidade do leito de sólidos e o tempo de residência do material (Sullivan et al., 1927). Posteriormente foi desenvolvido um modelo baseado na suposição de que as partículas do leito desenvolviam um movimento circular, acompanhando a rotação do forno, até que essas partículas rolavam umas sob as outras para a parte inferior do leito formando uma camada fina de sólidos (Saeman et al., 1951). O tempo de queda das partículas foi assumido suficientemente baixo quando comparado ao tempo para a partícula se mover da metade inferior do leito para a metade superior do leito de sólidos do forno. Usando a geometria de fornos rotativos com inclinação axial, foi observado que o ângulo de inclinação necessário para se manter uma altura constante do leito ao longo do comprimento do forno rotativo podia ser determinado em função de uma dada velocidade de rotação. Este modelo básico permitiu uma predição bem realista dos dados originais (Sullivan et al., 1927). Posteriormente, o modelo foi refinado de modo a predizer o movimento axial das partículas com diferentes enchimentos de leito, levando em conta o tempo de queda das partículas para a superfície inferior do leito (Kramers et al., 1952). Um trabalho posterior, que tinha por objetivo primordial a verificação do movimento das partículas na superfície interna do forno, bem como a validação do modelo de Kramers et al. (1952), procurou o estabelecimento de um modelo com menos restrições e maior aplicabilidade (Lebas et al., 1995). Mais recentemente, o mesmo modelo fundamental para a trajetória das partículas no interior de fornos rotativos foi validado, através de um estudo do movimento das partículas em fornos rotativos sem escoamento axial (Spurling et al., 2000). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 33 Quase sempre possuem permutadores de calor transversais ao longo de seu corpo, para uma melhor transferência de calor, além de recuperadores de calor e pré-aquecedores de calcário. Estes pré-aquecedores têm um diâmetro invariavelmente menor do que o dos fornos correspondentes. O consumo de combustível (óleo ou carvão pulverizado), tomado como base um forno de 500 toneladas/dia é o seguinte: fornos longos de 6699 a 7117,6 kJ/kg e nos fornos curtos com pré-aquecedor de 5066 a 4940 kJ/kg; com melhoria devida aos trevos que os seccionam (Manfred et al., 1976). Na Figura 2.19 apresenta-se um exemplo típico de um forno rotativo de cal de comprimento longo. Figura 2.19 - Esquema de forno rotativo longo (Manfred et al. 1976). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 34 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 35 Capítulo 3 Forno vertical Neste capítulo é apresentada uma introdução sobre o forno vertical, desde a sua seleção até à sua geometria. Uma descrição do processo de calcinação e possíveis problemas ocorrentes durante o processo neste tipo de forno é também tido em conta neste capítulo. Por fim, é apresentado uma comparação entre o forno vertical e o forno rotativo. 3.1. – Introdução A escolha do forno de cal é muito importante para o produtor de cal, pois o forno deve ser adequado para que seja produzida cal com a qualidade exigida. O forno deve ter um custo de capital e custos operacionais suficientemente baixos para uma produção de cal a um preço competitivo. A sua capacidade deve ser também apropriada às necessidades do mercado. Uma grande variedade de técnicas e modelos de fornos têm sido utilizados em todo o mundo ao longo dos séculos. O conceito de forno vertical foi modernizado ao longo dos anos com uma série de projetistas, as caraterísticas de alguns deles encontram-se resumidos na Tabela 3.1. Alguns modelos são mais adequados para baixas produções (abaixo de 100 t/dia), enquanto outros podem ser usados para produções mais elevadas (até 800 t/dia). O tamanho aceitável para a pedra de calcário varia de um mínimo de 30 mm para um tamanho superior de 125 mm. Certos fornos são adequados para funcionar com combustíveis gasosos, líquidos e sólidos, enquanto outros são mais restritos. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 42 Na Figura 3.2 mostram-se as quatro zonas térmicas existentes no forno vertical assim como os perfis de temperatura da superfície da pedra e dos gases. O dióxido de carbono na fase gasosa é produzido pela combustão do combustível e pela decomposição de calcário. Figura 3.2 - Perfil de temperatura num forno vertical. Em suma, a zona de pré-aquecimento utiliza os gases de escape (quentes) provenientes da zona quente, enquanto a zona de arrefecimento pré-aquece o ar de combustão maximizando assim a recuperação de calor e aumentando a eficiência térmica do processo. 3.6. – Problemas ocorrentes Embora, os fornos verticais de cal tenham evoluído ao longo dos séculos tem havido pouca investigação sobre o seu funcionamento e os fatores que afetam o seu desempenho (Oates, 1998). Para o bom funcionamento de um forno, é necessário um fornecimento de combustível e calcário adequado. Os principais problemas que podem ocorrer em operações de fornos verticais são discutidos de seguida. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 43 3.6.1. – Baixa eficiência do forno As causas habituais da baixa eficiência do forno são as seguintes: a. Baixa qualidade do calcário: O calcário é um recurso natural, a estrutura e composição varia de camada para camada dentro da mesma pedreira. Consequentemente, isso faz com que qualidade do calcário varie ao longo do tempo de exploração da pedreira. O calcário consiste principalmente de carbonato de cálcio CaCO3 e algumas impurezas (MgCO3, SiO2, AL2O3, Fe2O3, Na2O, SO4, etc.). Calcário de baixa qualidade refere-se ao seu baixo teor de CaCO3 e altas impurezas. É geralmente difícil estimar as distribuições espaciais de impurezas de calcário deste modo não se pode evitar ou remover (Koike et al., 2003). Portanto, a temperatura na zona de calcinação do forno deve ser mantida a cerca de 1200 ºC. A alta temperatura, acima de 1300 ºC, as impurezas presentes no calcário formam clínquer (material duro/tipo de cimento) que pode bloquear o forno e também danificar o revestimento de tijolo refratário. Na Figura 3.3 mostra-se uma fotografia de uma escória cristalina retirada de um forno de cal. b. Tamanho do calcário não uniforme: Os tamanhos da pedra calcária desempenham um papel importante na calcinação. As grandes partículas são difíceis de calcinar uniformemente e requerem um maior tempo de processamento. Se o tempo for curto, o calcário não é completamente calcinado, isto é, a eficiência do forno é reduzida. Em contrapartida, pequenas partículas aumentam a resistência ao escoamento da fase gasosa, deste modo a qualidade de preparação do calcário é um dos fatores determina a eficiência da operação do forno. Um dos métodos mais eficientes para a produção de cal de alta qualidade é a remoção de finos da matéria-prima carregada no forno (Gamej et al., 2004). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 44 Figura 3.3 - Fotografia de um fragmento de uma escória cristalina com 70 mm de diâmetro (Leslie et al., 2004). 3.6.2. – Calcinação incompleta O calcário não processado (calcinado) deve-se à imperfeição das reações de conversão no interior do forno, uma grande quantidade de não queimado reduz a qualidade da cal. Os parâmetros que fazem com que haja calcinação incompleta são: a. Ar insuficiente causando uma combustão incompleta, e consequentemente, a temperatura no interior do forno é inferior à desejada, não calcinado o calcário; b. O tempo de residência de grandes partículas de calcário não é suficiente para que fiquem totalmente calcinadas e, consequentemente, apresentam maiores resíduos de carbonatos; c. A mistura incompleta do calcário com a corrente de gases de combustão causa uma calcinação insuficiente do calcário em algumas partes do forno e um excesso de queima da cal noutras partes do forno. A Figura 3.4 mostra a seção transversal de partículas de calcário incompletamente calcinadas extraídas de um forno. É visível na figura que as partículas têm um núcleo cinzento-escuro que não reagiu, rodeado por um invólucro calcinado branco. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 45 Figura 3.4 - Secção transversal de partículas de cal não calcinadas (Tran et al., 2005). 3.6.3. – A influência do tipo e tamanho do combustível no desempenho do forno Tradicionalmente, o coque tem sido o combustível mais usado na indústria de cal. As propriedades do coque variam com as propriedades do carvão e a própria conceção do forno, bem como as condições de carbonização usadas. Logo, a qualidade do coque influencia a operação do forno. Com tamanhos de partículas de coque não uniformes, a altura das zonas do forno mudam consoante as taxas de queima das partículas de combustível. Se as partículas de coque forem pequenas estas queimam rapidamente, passando-se o oposto para partículas de maiores tamanhos. Partículas de combustível demasiado pequena provocam alterações nas zonas de préaquecimento e calcinação e os gases de escape com altas temperaturas e consequentemente energia não são devidamente aproveitados. Partículas grandes continuam a queimar mesmo depois de passarem a zona de calcinação, causando a mudança das zonas de calcinação e arrefecimento. Consequentemente, a cal descarregada do forno ainda se encontra demasiado quente. 3.6.4 – Alto teor de CO nos gases de escape No caso de utilização de coque, este reage com o dióxido de carbono (CO2) para formar monóxido de carbono (CO). As altas temperaturas e não havendo oxigénio suficiente para a combustão dar-se-á a reação C + CO2 → 2CO. Por isso o coque deverá ter uma baixa reatividade em relação à redução de dióxido de carbono, o que é muito difícil de se conseguir na prática. Consequentemente o controlo do excesso de ar é fundamental na operação dos fornos de calcinação para minimizar fenómenos de combustão incompleta ou redução do CO2. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 46 3.7. – Combustível Fornos verticais tradicionais operam continuamente e são alimentados com combustível introduzido na zona de calcinação. Vários combustíveis têm sido utilizados, inclusive carvão betuminoso, gás manufaturado, óleo combustível e gás natural. O carvão é introduzido no forno na parte superior da zona de calcinação, quer por operadores, por pá mecânica ou por projeção, num espaço criado por um estreitamento da haste. As camadas de carvão e calcário são alternadamente introduzidas, por vezes o carvão é misturado com o calcário antes de serem introduzidos no interior do forno. O carvão tem que ter uma temperatura de fusão de cinzas adequada, de preferência acima de 1200 ºC, o que se consegue através de um baixo teor de cinzas aceitável. A alta temperatura de fusão de cinzas reduz o risco de sinterização das partículas de cal, causada pelas cinzas de fusão e pela interação entre os pedaços de cal e os refratários. É também assegurado que a maior parte das cinzas não aderem à cal e possam ser facilmente removidas (Oates, 1998). O carvão utilizado tem de possuir propriedades de coqueficação adequadas de modo que se formem aglomerados coesos, que queimem de forma relativamente lenta e fiquem presos entre os pedaços de calcário em calcinação. A maior parte da matéria volátil do carvão é destilada logo após a queima e queimada na zona de pré-aquecimento, ou é emitida para a atmosfera como gases de escape. Por outro lado, a maior parte do enxofre no carvão é absorvido pela superfície da cal, formando sulfato de cálcio. Devido à sua maior área de superfície por unidade de massa, a concentração de enxofre é maior nas partículas de cal com menores dimensões (Oates, 1998). Gás manufaturado também é usado para a produção de cal. É obtido pela combustão parcial do carvão (ou óleo) com defeito de ar. Vapor de água também pode ser adicionado a este processo de produção de gás combustível. Os principais componentes combustíveis do gás manufaturado são o monóxido de carbono e o hidrogénio, podendo ainda apresentar com uma quantidade mínima de metano. Contudo, os gases inertes perfazem a maior parte do volume do gás. Eles consistem em azoto com pequenas quantidades de dióxido de carbono, vapor de água e oxigénio. O enxofre no combustível é convertido em sulfureto de hidrogénio ou em dióxido de enxofre. A maior parte da cinza do carvão original fica no sistema de produção do gás manufaturado, de forma que a cal não fica contaminada (Oates, 1998). Com um baixo poder ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 47 calorífico volúmico do gás seco (cerca de 6280 kJ/m3 a 0 ºC e 1 atm), o gás manufaturado é um combustível conveniente para a queima de cal porque as suas chamas longas e lentas produzem uma cal muito reativa (Oates, 1998). O óleo combustível é, geralmente, gasificado em câmaras refratárias alinhadas e ligadas ao forno, ou vaporizado por pulverização sobre a superfície das partículas de calcário ou cal. É geralmente queimado com um baixo nível de excesso de ar primário para produzir chamas lentas e relativamente longas, necessárias para uma calcinação controlada. No entanto, a cal produzida tende a ser de moderada a baixa reatividade. Em fornos verticais, a maior parte do enxofre no óleo é retida como sulfato de cálcio na superfície dos pedaços de cal. O óleo combustível é isento de cinza. A operação com um excesso limitado de ar resulta na emissão de alguns voláteis e negro de fumo. Isto, juntamente com a relativa baixa reatividade do calcário tem causado muitos fornos verticais movidas a óleo serem substituídos por fornos mais modernos. O gás natural é introduzido lateralmente no forno. Queima mais tempo, com uma chama mais lenta do que o petróleo ou o carvão e produz uma cal de reatividade média. Como contém quantidades insignificantes de enxofre e não produz cinzas, a cal resultante não é contaminada pelo combustível em qualquer momento. Além disso, o gás natural não produz fumo, de modo que os gases de escape têm uma baixa opacidade. O calor empregue em fornos verticais a gás natural é, geralmente, de 4815 kJ/kg (Oates, 1998). Quando o combustível é injetado na parede de um forno, geralmente não penetra mais do que 1 m para dentro da carga. Isso limita a largura eficaz do forno, ou o diâmetro, a cerca de 2 m, e restringe a capacidade produtiva de um eixo de diâmetro 2 m a cerca de 80 t/dia (Oates, 1998). Ao longo dos anos foram usadas várias técnicas para permitir que o diâmetro do forno, e portanto a sua capacidade de produção fosse aumentada. Em fornos consumindo gás manufaturado, o grande volume de gás de baixo valor calorífico favorece uma maior penetração e é frequentemente assistida pela injeção de ar adicional, ou "secundário" para a zona de calcinação. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 48 Em muitos países, o aumento generalizado na disponibilidade de gás natural a preços competitivos, nos anos 60 e 70, permitiu que muitos produtores de cal, para estender a vida operacional de seus fornos (verticais tradicionais), optassem pelo gás natural como combustível de operação. O gás natural traz três grandes vantagens: a. É livre de enxofre, de modo que a cal atende aos requisitos de enxofre de siderúrgicas; b. Queima com uma chama longa e lenta, que tem uma emissividade relativamente baixo. Isso permite a produção de uma cal mais reativa para uma determinada percentagem de CaCO3, ou permite que a percentagem de CaCO3 seja reduzida para uma dada reatividade; c. Não produz fumos quando queimado em condições normais de operação (Oates, 1998). As vantagens acima referidas, juntamente com o desenvolvimento de técnicas para melhorar a penetração da queima de gás no centro do forno, permitem fornos verticais a gás natural com diâmetros de até 5 m e produções de cal de mais de 200 t/dia (Oates, 1998). 3.7.1. – Combustão Em todos os processos de combustão há uma razão ar – combustível ótima que maximiza o rendimento da combustão. Uma razão mais baixa resulta numa combustão incompleta e um aumento dos níveis de monóxido de carbono, enquanto uma razão elevada faz com que os produtos de combustão são diluídos e arrefecidos pelas quantidades adicionais de ar. Por isso na pratica há sempre que se adotar uma solução de compromisso. A combustão dentro de um leito fixo, como é o caso dos fornos de cal verticais é particularmente problemática, pois a mistura entre o combustível e ar nestas condições é um processo ineficiente. Do ponto de vista da eficiência de combustão, o combustível e o ar devem, idealmente, ser distribuídos uniformemente em todo leito. No entanto, independentemente do sistema de combustão utilizado, as variações na razão de ar-combustível podem ocorrer. Do ponto de vista da calcinação do calcário, as chamas, lentas e longas resultantes da combustão com uma deficiência de ar são mais favoráveis do que, chamas intensas e curtas, isto é, porque uma deficiência de ar reduz as temperaturas na zona de calcinação, particularmente na secção de "acabamento" e ajuda a garantir uma elevada reatividade. Mas a deficiência de ar leva à combustão incompleta com formação de monóxido de carbono e ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 49 outros não queimados reduzindo-se assim o rendimento do processo (Oates, 1998). 3.8. – O forno vertical comparativamente ao forno rotativo Uma das principais características operacionais dos fornos rotativos é a maneira peculiar como a carga deste se movimenta no seu interior, a rotação imposta ao forno faz com que a carga sólida acompanhe o movimento das paredes até certa altura e então caiando e rolando de forma caótica sobre as paredes. A rotação é impressa sobre o forno por meio de motores elétricos externos, geralmente de rotação variável e o mecanismo de transmissão de potência pode contar com correias ou cremalheiras. O custo operacional dos fornos rotativos é mais elevado (comparado com os fornos verticais), além do custo do consumo dos motores externos que permitem a rotação do forno, há o acréscimo de custo devido a manutenção de todo o sistema mecânico. Devido ao movimento da carga no interior do forno rotativo, pode ocorrer a suspensão de partículas na atmosfera, no interior do forno. Isto é, se a granulometria da carga for muito fina, ou se esta se esfarelar com muita facilidade. É assim possível haver a formação de nuvens de partículas, o que é extremamente indesejado, pois podem ser carregadas com o escoamento de gases para fora do forno. A medição da temperatura no interior do forno rotativo é uma tarefa bastante difícil, devido às suas características construtivas e ao contínuo movimento, que inviabiliza a instalação de termopares ao longo do seu comprimento. Assim, os fornos rotativos encontrados em processos industriais contam com termopares instalados apenas nas seções de entrada e saída de carga, o que implica num controle retardado do processo de queima, podendo trazer problemas, tornando incapaz de antecipar variações nas curvas de temperatura durante o processo. Por outro lado, as características funcionais do forno vertical permitem a instalação de termopares em cada zona do processo (pré-aquecimento, calcinação e arrefecimento), se necessário. A fração do volume do forno rotativo ocupado pela carga tem uma forte influência sobre os processos de transferência de calor e de massa, e sobre o tempo de residência da carga no interior do forno, sendo os fornos rotativos ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 50 operados, em geral, com baixos níveis de preenchimento comparativamente aos fornos de eixo vertical. O tempo de residência é muito mais curto num forno rotativo do que num forno vertical. Isto traduz-se para uma taxa significativamente mais elevada de pré-aquecimento do calcário num forno rotativo. Os fornos verticais tradicionais possuem taxas de produção relativamente baixas. Pois o combustível injetado numa parede, geralmente, não penetra mais do que 1 metro para o leito compactado, e isso limita a produtividade. O grande problema com o forno vertical tradicional é a obtenção de libertação de calor uniforme e o movimento da carga em todo o eixo. Outro inconveniente é o facto de que o carvão não pode ser utilizado sem degradar a qualidade da cal produzida. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 51 Capítulo 4 Calcinação Neste capítulo são destacados os aspetos referentes à cinética de calcinação e fatores que a influenciam. As propriedades físicas, distribuição do tamanho e formato da partícula a calcinar são tidas em conta neste capítulo. 4.1. –Introdução A calcinação de calcário ocorre numa zona muito estreita, quando o carbonato de cálcio é dissociado em óxido de cálcio e dióxido de carbono. Essa zona avança do exterior para o interior da pedra com uma velocidade constante para cada temperatura, independentemente do tamanho da pedra ou grau de calcinação. A maior parte da resistência à transferência de calor para a pedra parece estar na zona de calcinação e não no corpo do material calcinado (Boynton, 1980). A decomposição térmica dos calcários resulta na formação de dois produtos – cal e dióxido de carbono. Esta reação, quimicamente bem estabelecida em relação às massas moleculares é reversível para o carbonato de cálcio. A termodinâmica fornece as duas informações básicas da calcinação, relacionadas com a reação e ligadas às condições de temperatura e pressão. Quando o carbonato de cálcio é aquecido (queimado) num forno a temperatura de 900 – 1200 ºC, é decomposto em cal (óxido de cálcio e dióxido de carbono). 𝐶𝑎𝐶𝑂!+𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ⇄𝐶𝑎𝑂 +𝐶𝑂! ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 58 Figura 4.3 - Processo de calcinação de uma pedra calcária esférica com 31mm (Oates, 1998). (a) temperatura no interior do forno; (b) temperatura da superfície; (c) temperatura 5mm abaixo da superfície; (d) % de CaCO3 dissociado; (e) raio do núcleo de CaCO3. 4.7. – Fatores que influenciam a calcinação As principais variáveis que afetam a taxa de dissociação são: as propriedades da carga do forno; o desempenho físico-químico do forno; a distribuição e aproveitamento do combustível. Estes aspetos são agora sucintamente analisados. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 59 4.7.1. – Propriedades da carga do forno Uma condição básica para a fabricação de cal que atenda às melhores normas técnicas é o exame das características das rochas carbonáticas antes de serem carregadas no forno. É preciso identificar a sua composição química, composição mineralógica, cristalinidade, impurezas e granulometria, para se conseguir uma boa conduta da rocha no forno e um produto qualificado. No interior do forno a pedra para calcinação pode apresentar defeitos que dificultam a operação, tais como: i. Tendência a crepitar o material, provocando uma pulverização incontrolável; ii. Tendência a distribuir-se mal, impedindo ou dificultando o contacto com gases quentes ao longo da extensão do forno. É algo que é bastante relatado no sector industrial na operação em fornos rotativos. 4.7.2. – Desempenho do forno/reação físico-química No interior do forno, a rocha carbonática passa por diversas fases à medida que é aquecida. De acordo com o tipo de forno e as características da carga, como já abordado anteriormente, essas fases podem ser assim sintetizadas: i. Pré-aquecimento: as pedras são pré-aquecidas pelo contacto com os gases de combustão; ii. Aquecimento: feito segundo uma taxa de aquecimento adequada, até atingir a temperatura de decomposição; iii. Calcinação: quando é atingida a temperatura de decomposição, dá-se à carga um dado “tempo de residência” para que o calcário se transforme em cal da forma mais completa possível; iv. Arrefecimento: acontece na zona de descarga, geralmente por intermédio de ar insuflado, que serve também como ar secundário de combustão do forno. O processo de transformação dos blocos de rocha componentes da carga começa nas partes mais quentes (em contacto com os gases), evoluindo como “ondas térmicas” em direção às zonas frias (interior da pedra). Como é a primeira camada a se formar no processo de calcinação e como possui condutividade térmica bem menor do que a rocha, a cal faz com que a velocidade de avanço da camada calcinada diminua à medida que se aproxima do núcleo da pedra submetida ao calor. Assim, de acordo com a disposição e a granulometria da carga no forno, além da distribuição de calor ao longo das ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 60 zonas de aquecimento e calcinação, é frequente encontrar no material calcinado uma zona central (núcleo) não decomposta, isto é, na forma de carbonato (Schwarzkorf, 1978). Na Figura 4.4 mostra uma pedra de cal que apresenta um núcleo de carbonato de cálcio não calcinado. Figura 4.4 - Pedra de cal com núcleo de carbonato não dissociado (Quallical, 2015). Azbe (1953) concluiu que para um dado fator de forma o tempo de calcinação é diretamente proporcional à espessura ao quadrado (onde a espessura é definida como a dimensão mínima medida através do centro de gravidade da partícula). Azbe (1953) também derivou uma fórmula para a taxa de calcinação de um formato de partícula. Na Figura 4.5 pode se ver a variação do tempo de calcinação com a temperatura e tamanho de pedras densas. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 61 Figura 4.5 - Variação do tempo de calcinação com a temperatura e tamanho da pedra calcária. (Azbe, 1953). Pedra calcária com diâmetro de (a) 150mm; (b) 125mm; (c) 100mm; (d) 75mm; (e) 50mm; (f) 25mm. A Figura 4.6, exemplifica o efeito de distribuição de zonas, descrito por Guimarães (2002) num forno vertical. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 62 Figura 4.6 - Gráfico de distribuição de zonas no forno vertical (Guimarães, 2002). Na Figura 4.6, o calcário na granulometria especificada ao processo é alimentado na parte superior do forno em contracorrente com a zona de queima. Na entrada do forno, devido ao choque térmico oferecido à pedra calcária, esta tem tendência a crepitar, com a geração de finos de minério. Em seguida o minério passa por uma região de pré-aquecimento. O tempo pelo ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 63 qual o minério não sofre qualquer reação de decomposição, estando sujeito unicamente ao aquecimento é função das características do minério (composição, cristalinidade, impurezas, granulometria). A transformação do calcário em cal inicia-se quando a temperatura necessária para a reação de decomposição é atingida, este processo pode ocorrer ainda antes da zona de calcinação, ou seja, na zona de préaquecimento consoante o tempo de permanência do calcário nessa zona. Nessa zona inicia-se efetivamente o processo de calcinação do calcário. É importante salientar que fatores cinéticos, como a taxa de aquecimento e termodinâmicos, como a pressão parcial de CO2, são de fundamental importância na produtividade e qualidade do produto. No decorrer da calcinação o material tem uma pequena tendência à retração de volume, ficando mais suscetível ao aumento de porosidade e área específica. Nesta etapa ocorre também a transformação dos retículos cristalinos referentes à formação dos óxidos. Isto é fases cristalinas referentes aos carbonatos vão gradativamente sendo substituídas pelas fases ligadas à presença dos óxidos. Finalmente, na zona de descarga do forno o material tem as suas principais características definidas: reatividade, presença ou não de núcleo, existência ou não de supercalcinação. A importância do tempo de residência nas regiões finais do forno está relacionada com a sinterização do material ou ao fim do processo de calcinação. No caso da reação de decomposição não se completar, o material apresenta um núcleo não calcinado (Figura 4.4). Por outro lado, no caso de ocorrer supercalcinação, o óxido passa a sofrer sinterização da superfície da partícula de óxido (redução de porosidade). Esse tem características de cales duras, as quais apresentam alta pureza e dificuldade de hidratação. Em suma, no projeto e operação do forno deve-se certificar que a decomposição térmica do calcário é finalizada e que o material não permanece no interior da zona de calcinação um tempo superior ao adequado, de modo a não sofrer sinterização. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 64 A Figura 4.7 e a Figura 4.8 exibem respetivamente esquemas da transformação da estrutura das partículas de cal e micrografias eletrónicas que comprovam as transformações atrás referidas. Figura 4.7 - Croqui da transformação da estrutura das partículas de cal (Guimarães, 2002). Observa-se que para temperaturas entre 900 ºC e 950 ºC ocorre um processo de formação de poros no material e uma aglomeração de novos retículos cristalinos. Já a temperaturas superiores, entre 1000 ºC e 1200 ºC, as partículas aglomeram-se de forma mais concisa, reduzindo a microporosidade do material. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 65 Figura 4.8 - Microscopia eletrónica de varredura de partículas de cal a diferentes condições de calcinação (Guimarães, 2002). A calcinação perfeita das rochas calcárias depende particularmente das condições de operação do forno e da qualidade da matéria-prima. Dos fatores que dependem fundamentalmente da qualidade da matéria-prima, destaca-se a presença de impurezas, que diminui a percentagem de CaO libertado, inferindo, por conseguinte, a redução na reatividade da cal. O problema só é reduzido com calcinação a baixa temperatura. A presença de 2 % de impurezas, por exemplo, pode ocasionar a perda até 8 % de CaO livre. De ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 66 forma elementar, as impurezas têm reações diferentes: a sílica, o ferro e a alumina tendem a formar silicatos; o enxofre contamina o meio ambiente quando é expulso junto com os gases de escape, o óxido de sódio reduz a contração; fósforo, potássio e certos minerais valorizam a cal quando usada na agricultura, pois são nutrientes e micronutrientes de vegetais. Muitas vezes, elementos como fósforo, enxofre e boro impedem certas aplicações da cal. Na constituição da cal salienta-se a importância da sílica, alumina e ferro, ao lado do cálcio e, mais subordinadamente, do magnésio. A Figura 4.9 mostra a influência da temperatura e presença de impurezas, nas diferentes fases cristalinas. Figura 4.9 - Influência da temperatura de calcinação (Millet, 1979). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 67 A qualidade química do produto depende, primeiro, das características e das impurezas contidas nas rochas que lhe dão origem. Assim, recebe o nome de cal calcítica o produto com alto teor em óxido de cálcio. A qualidade da cal depende também da operação do forno. Quando este é operado com habilidade, seja em relação ao controlo de temperatura e seja em relação ao tempo de residência, o forno de calcinação produz cal de alta reatividade, denominada popularmente de cal gorda, mole ou rica. Já num forno operado visando principalmente a maior produtividade, produz cal comummente chamada de cal dura, de alta densidade e baixa reatividade, no caso de temperaturas elevadas e menor tempo de residência. Ainda objetivando a alta produtividade, no caso de temperaturas e tempos de residência inferiores aos técnicos, ocorre a produção de cal virgem denominada de crua, de alto teor de CO2 e baixa efetividade (Guimarães, 2002). 4.7.3. – Combustível, aproveitamento e distribuição no forno O calor é o segundo componente da reação química que resulta na formação da cal. As fontes combustíveis exercem grande influência sobre a qualidade do produto e sobre os custos do processo de fabricação, estimulando também a evolução técnica dos fornos. Assim, a escolha do combustível e os cuidados com a recuperação de calor excedente no processo devem ser criteriosamente planejados. A quantidade mínima de energia requerida no processo de dissociação térmica do calcário a temperaturas próximas de 1173 K (900 ºC) é aproximadamente 3029 kJ por kg de CaO produzido. Já o calor de dissociação da reação na condição padrão de 298 K (25 ºC) é de 3184 kJ/kg de CaO. O calor total empregue nos fornos de calcinação gira em torno de 4484 kJ/kg de CaO (Boynton, 1980; Oates, 1998). O rendimento térmico de um forno de calcinação industrial é definido como a energia teórica requerida para a promoção da reação de calcinação dividida pela energia real fornecida ao forno. A perda térmica nos fornos de calcinação dá-se com a irradiação de calor pela carcaça do equipamento e entre outras, como pelos produtos de combustão expelidos pela chaminé; com o CO2 produzido pela decomposição dos carbonatos; com poeiras e minerais incombustíveis que acompanham os gases; nos produtos (cal) descarregados com temperatura acima do ambiente. A redução dessas perdas pode ser conseguida com diversas ações: como a pintura do forno; revestimento de tijolo refratário com composição variável de acordo com o tipo e as zonas do ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 74 𝑛𝑝𝑡 =𝑁𝑝 𝑉𝑙𝑖𝑞 (5.4) Sabendo o número de pedras no interior do forno e o volume que cada partícula (pedra) possuir, é possível determinar o volume total de ocupação. 𝑉 =𝑛!! 𝑉 ! (5.5) Uma vez que o forno possui a característica geométrica de um cilindro, a altura deste é 𝐻= 𝑉 𝜋 𝑟! (5.6) O cálculo do consumo de energia da zona de calcinação e arrefecimento têm de ser estudadas em conjunto. A zona de pré-aquecimento será analisada em separado. Essa divisão é necessária porque a temperatura do gás de escape (Tg) entre o pré-aquecimento e a zona de calcinação deve ser mais elevada do que a temperatura de equilíbrio do sólido, de modo que a Segunda Lei da Termodinâmica seja cumprida, isto é, que haja uma transferência de calor da corrente gasosa para a pedra, com uma diferença finita de temperaturas. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 75 Figura 5.2 - Esquema da análise do forno. 5.1.1. – Dimensão da zona de calcinação Sabendo o tempo de residência da carga na zona de calcinação e a quantidade de CaO pode-se facilmente determinar qual a quantidade de CaCO3 na zona de calcinação. Sabe-se que 1 kg de CaCO3 gera 0,56 kg de CaO, então: 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝐶𝑂!𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑖𝑛𝑎çã𝑜= 𝐶𝑎𝑂 ∙𝑡 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∙𝑟 !! (5.7) onde, 𝑟 !! : Rácio cal – calcário, assume o valor 0,56 kg; CaO: Massa de CaO. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 76 Uma vez determinada a quantidade de CaCO3 na zona de calcinação, determina-se o volume líquido da carga recorrendo à equação (5.2). O número de pedras na zona de calcinação pode ser agora determinado, sabendo o volume líquido da zona de calcinação e recorrendo à equação (5.4). O volume de ocupação da carga, equação (5.5). Equação (5.6) sabe-se a altura da zona de calcinação. 5.1.2. – Dimensão da zona de arrefecimento Área da seção recta do forno. 𝐴!= 𝜋 𝑑! ! 4 (5.8) Área da base do forno. 𝐴!= 𝜋 𝑟! (5.9) O número de Reynolds é a relação entre as forças de inércia (convectivas) promotoras do movimento e as forças de viscosidade que se opõem ao movimento. 𝑅𝑒 = 𝑑! 𝑈 ! 𝜌! 𝜇! (5.10) O caudal de gases (corrente de ar que entra pela parte inferior do forno) é dado por: 𝑚!= 𝜌! 𝑈 ! 𝐴! (5.11) ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 77 O coeficiente de transferência de calor entre o fluido (ar) e as partículas é obtido através do número de Nusselt. ℎ= 𝑘! 𝑁𝑢 𝑑! (5.12) O número de Nusselt corresponde fisicamente a um gradiente de temperaturas adimensional junto à partícula, e representa o coeficiente de convecção adimensional. Sendo assim o número de Nusselt é uma função da geometria do escoamento (Re), do fluido Prandtl (Pr) (Yang, 2003). 𝑁𝑢 = 2+1,1 𝑃𝑟 ! ! 𝑅𝑒!,! (5.13) Análise na secção do forno. Figura 5.3 - Esquema da análise de um seção do forno. Área de transferência por unidade de volume de leito: 𝜗= 6 (1− 𝜀) 𝑑! (5.14) ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 78 A quantidade de energia em jogo na zona de arrefecimento da cal é dada por: 𝑄!=𝑚! 𝑐! 𝑇𝑔!!!−𝑇𝑔! (5.15) sendo, 𝑚!: Caudal de ar; cp: Calor específico a pressão constante do fluido; Tg1-2: Temperaturas dos gases à entrada da zona de calcinação; Tge: Temperaturas do fluido à entrada da zona de arrefecimento. Sabendo a quantidade de energia consegue-se obter a altura da zona de arrefecimento (H1): 𝑄= ℎ 𝐴! 6 1−𝜀 𝐻 𝑑! ∆𝑇 !− ∆𝑇 ! ln ∆𝑇 ! ∆𝑇 ! (5.16) onde, ∆𝑇 !=𝑇𝑝!!!−𝑇𝑔!!! ; ∆𝑇 !=𝑇𝑝!−𝑇𝑔! . 5.1.3. – Combustão Normalmente os combustíveis são classificados de acordo com a fase na qual são normalmente manuseados (Combustíveis sólidos, líquidos e gasosos). Do ponto de vista químico são os combustíveis gasosos os mais simples, como a gás natural, combustível selecionado para a simulação em estudo. A composição dos combustíveis gasosos (misturas) é dada, normalmente, na base molar, ver Tabela 5.2. O gás natural tem como componentes principais o metano (CH4) e o etano (C2H6) variando gradualmente de composição consoante a origem. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 79 Tabela 5.2 - Composição típica de um gás natural (Trangás) Xi Mi [g/mol] Xi Mi CH4 0,837 16 13,39 C2H6 0,076 30 2,28 C3H8 0,0192 44 0,84 C4H10 0,007 58 0,41 C5H12 0,0017 72 0,12 C6H14 0,0008 86 0,07 CO2 0,0023 86 0,10 He 0,002 4 0,01 N2 0,054 28,15 1,52 Uma mistura reativa é denominada estequiométrica quando a quantidade de oxidante nessa mistura é a teoricamente necessária para queimar completamente todo o combustível num processo de combustão ideal. Na reação estequiométrica: 𝑋!∙𝐶𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶𝑂!+𝑋!∙𝐻𝑒 +𝑋!∙𝑁!+ 𝑛!𝑂!+3,76 𝑁! →𝑛!𝐶𝑂!+𝑛! 𝐻!𝑂+𝑛! 𝑁!+𝑛! 𝐻𝑒 (5.17) Na prática sabe-se que a combustão completa não é conseguida a menos que a quantidade de ar seja superior à teoricamente necessária (excesso de ar). Isto porque as características do queimador e do escoamento, não permitem a concretização de uma mistura ar – combustível perfeitamente homogénea. Ou seja a reação química acima referida (Equação 5.17), representa o processo de combustão ideal, sendo assim apenas uma aproximação do processo de combustão real. Para garantir a combustão completa do combustível, os equipamentos de combustão operam com excesso de ar. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 80 𝑋!∙𝐶𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶𝑂!+𝑋!∙𝐻𝑒 +𝑋!∙𝑁! +𝑛!!"#!$ 1+𝑒𝑂!+3,76 𝑁! →𝑛!𝐶𝑂!+𝑛! 𝐻!𝑂+𝑛! 𝑁!+𝑛! 𝐻𝑒 +𝑛! 𝑂! (5.18) Para a equação química anterior tem que se efetuar o balanço dos elementos químicos em jogo: - Carbono: 𝑛!= 𝑛!!"#!$ - Hidrogénio: 𝑛!= 𝑛!!"#!$ - Oxigénio: 2 𝑋!+2 𝑛!!"#!$ 1+𝑒= 2 𝑛!+𝑛!+2 𝑛! - Azoto: 𝑋!+3,76 𝑛!!"#!$ 1+𝑒=𝑛! - Hélio: 𝑛!=𝑋! 𝑋!∙𝐶𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!+𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋!∙𝐶!𝐻!" +𝑋! ∙𝐶𝑂!+𝑋!∙𝐻𝑒 +𝑋!∙𝑁!+𝑛!1+𝑒𝑂!+3,76 𝑁! →𝑛!𝐶𝑂!+𝑛! 𝐻!𝑂+𝑛! 𝑁!+𝑛! 𝐻𝑒 +𝑛! 𝑂! 5.1.3.1. – Produtos Tabela 5.3 – Composição dos produtos da combustão. Mi [kg/kmol] cpi [kJ/kg] CO2 44 1,3197 H2O 18 2,6042 N2 28,15 1,241 He 4 5,234 O2 32 1,2083 Fração molar dos produtos: 𝑋𝑖 = 𝑛! 𝑛! (5.19) ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 81 Massa dos produtos: 𝑚!=𝑛! 12 +2∙16 + 𝑛! 2+16 + 28,15 𝑛!+4 𝑛!+2∙16 𝑛! (5.20) Razão produto – combustível: 𝑅𝑎𝑧ã𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑/𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚! 𝑋! ∙ 𝑀! (5.21) Partindo do conhecimento da composição molar do combustível, calcula-se para cada componente da mistura a respetiva fração mássica Yi: 𝑌 != 𝑋! ∙𝑀! 𝑋! ∙𝑀! (5.22) O calor específico a pressão constante dos produtos de combustão virá dado por: 𝑐!!= 𝑌 ! ∙𝑐!! = 𝑌 !"𝑐!!" +𝑌 !!𝑐!!! +𝑌 !"𝑐!!" +𝑌 !"𝑐!!" +𝑌 !"𝑐!!" (5.23) onde, 𝑐!!" : Calor específico a pressão constante do CO2 ; 𝑐!!! : Calor específico a pressão constante do H2O; 𝑐!!" : Calor específico a pressão constante do N2; 𝑐!!" : Calor específico a pressão constante do He; 𝑐!!" : Calor específico a pressão constante do O2. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 82 As propriedades físicas da mistura não são conhecidas com rigor. No entanto, é possível recorrer-se às propriedades dos gases componentes da mistura para se obterem valores globais. A expressão seguinte permite o cálculo da viscosidade dinâmica de uma mistura de gases perfeitos (Pinho, 2011). 𝜇= 𝑋! ∙ 𝜇! 𝑋! ∙ 𝜙!" ! !!! ! !!! (5.24) em que, 𝜙!" = 1 8 1+ 𝑀! 𝑀 ! !! ! 1+𝜇! 𝜇! ! ! ∙ 𝑀 ! 𝑀! ! ! ! (5.25) Para a condutibilidade térmica (Pinho, 2011), 𝑘= 𝑋! ∙ 𝑘! 𝑋! ∙ 𝜙!" ! !!! ! !!! (5.26) em que, 𝜙!" = 1 8 1+ 𝑀! 𝑀 ! !! ! 1+ 𝑘! 𝑘! ! ! ∙ 𝑀 ! 𝑀! ! ! ! (5.27) ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 83 5.1.3.2. – Propriedades da combustão Calor necessário para dissociar uma quantidade de CaO: 𝜃!"# = 𝜃!"#çã! ∙𝐶𝑎𝑂 (5.28) onde, CaO: Massa de CaO. Sabendo que o forno tem de produzir uma certa quantidade de CaO por dia (24 horas), o caudal de combustível para satisfazer a demanda é: 𝑚!"#$ = 𝜃!"# 𝑃𝐶𝐼 𝑟 ! (5.29) Onde, 𝑟 ! : parâmetro de tempo, assumido como 86400 s. Caudal dos produtos: 𝑚!=𝑅𝑎𝑧ã𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑑/𝐶𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝑚!"#$ (5.30) 5.1.4. – Dimensão da zona de pré-aquecimento. Sabendo que 1 kg de CaCO3 liberta 0,44 kg de CO2. O caudal de CO2 [kg/s] libertado durante o processo de calcinação é: 𝑚!!!= 𝐶𝑎𝐶𝑂! ∙𝑟 !!!! 𝑟 ! (5.31) onde, 𝑟 !!!! : Rácio dióxido carbono – calcário, assumido como 0,44 kg; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 90 A taxa de calcinação da calcário é dada pela Equação (5.49) (SilcoxI et al., 1989), estando Rc a taxa da reação de calcinação do calcário em mol/(m2s). 𝑅𝑐 =𝐾𝑑 ∙𝑃 !" −𝑃 !"# (5.49) ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 91 Capítulo 6 Programa de simulação computacional Um dos principais objetivos desta dissertação é fornecer subsídios para o estudo da produção de cal em forno verticais. Para este fim foi desenvolvido um programa de simulação computacional de fornos verticais, que possibilita o estudo da influência dos principais parâmetros de projeto e de funcionamento deste tipo de forno. O programa de simulação computacional foi desenvolvido como ferramenta de auxílio no projeto de fornos verticais. As principais características de funcionamento e de utilização são presentes neste capítulo. 6.1. – Construção Uma vez apresentada a metodologia de dimensionamento de um forno vertical de produção de cal, foi possível desenvolver um programa capaz de dimensionar um forno de uma forma autónoma e rápida. O programa em questão foi desenvolvido através de uma ferramenta informática denominada NetBeans Java 8.1. O programa então desenvolvido é constituído por duas partes diferentes, embora intrinsecamente interligadas. A primeira parte do mesmo representa o código do programa em si, onde foram introduzidos todos os dados (valores constantes) e todas as equações necessárias para o procedimento de cálculo de dimensionamento de um forno, sendo que para tal foram geradas variáveis que possibilitam a elaboração do algoritmo de cálculo. A segunda parte do programa representa as duas interfaces que foram criadas, uma inicial onde o utilizador introduz os restantes dados para o cálculo e por último uma interface onde se apresentam os resultados finais. Deste modo o utilizador pode interagir com o programa de uma maneira intuitiva e eficaz. Para tal, é ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 92 necessário cumprir um rigor de etapas para a elaboração do programa. Na figura 6.1 sintetizam-se os procedimentos do programa. Figura 6.1 - Síntese da elaboração do programa. 6.2. – Programa base O processo de cálculo para o dimensionamento possui métodos iterativos bem como processos de atribuição de variáveis que têm de ter a capacidade de tomar valores dependendo de certos parâmetros, várias ferramentas podiam ser escolha para este trabalho, tais como o MatLab, EES, Microsoft Visual Basic ou Java. A ferramenta NetBeans Java 8.1. foi a escolhida não porque possua uma maior capacidade em modelos matemáticos, mas porque já havia um conhecimento prévio desta ferramenta, o que torna assim mais acessível o desenvolvimento. Esta ferramenta possui um ambiente de desenvolvimento integrado gráfico, o que facilita a construção das interfaces da aplicação. Tendo em consideração que não se trata da investigação de novos modelos de cálculo, mas sim de apoiar quem já os utiliza, foi criado um programa de raiz, com a capacidade de ajudar no dimensionamento de fornos Conhecer o utilizador ao qual o programa se destina. Escolher um programa base para o desenvolvimento. Conhecer o processo de cálculo. Compreender as funções do ramo ao qual se aplica o programa. Organizar de forma intuitiva o código do programa. Escolher a melhor maneira de disponibilizar as informações/resultados. Testar a aplicação, as vezes necessárias, para que tudo esteja operacional. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 93 de cal verticais, tornando assim mais produtivo todo o processo e trabalho necessários em volta do assunto. Sendo no final do trabalho apresentado uma versão executável da aplicação. 6.3. – Apresentação do programa O presente momento o programa de simulação é capaz de avaliar a influência das seguintes variáveis de projeto e de operação do forno: • Geometria do forno (altura, raio interno e raio externo); • Propriedades da carga (propriedades físicas, empilhamento das partículas e temperatura de alimentação); • Parâmetros operacionais do forno (taxa de produção, tempo de residência da carga); • Parâmetros operacionais da queima (tipo e consumo de combustível, excesso de ar de combustão, temperatura de admissão de ar); • Isolamento das paredes do forno (propriedades físicas, espessuras das paredes). As características de funcionamento do forno tornam a descrição matemática dos fenómenos de transferência de calor no interior do forno uma tarefa bastante complexa e exigem a adoção de algumas hipóteses simplificativas que venham a facilitar este processo de descrição. O modelo matemático desenvolvido para o programa de simulação considera as seguintes condições durante a realização dos balanços de massa e térmico: • Tempo de permanência da carga na camada ativa de 10 horas; • Transferência de calor por radiação entre volumes de controlo através de áreas superficiais muito pequenas, desprezável; • Propriedades físicas dos materiais, tais como emissividade, densidade, calor específico, condutividade térmica e viscosidade dinâmica (excepto na zona de calcinação), constantes ao longo de todo o domínio computacional de cada zona; • Transferência de calor por convecção entre as partículas e os gases; • Transferência de calor por convecção entre a corrente gasosa e a parede interior do forno; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 94 • Transferência de calor por convecção e radiação entre a face externa da parede e o ambiente externo ao forno. Desta forma a modelação matemática desenvolvida para o programa de simulação consegue descrever de forma bastante completa os processos, sem, no entanto, dar origem a um sistema de equações demasiadamente complexo ou com não-linearidades muito intensas. Como referido anteriormente, o programa é constituído por duas principais interfaces, onde a primeiro representa numa janela de entrada de valores na qual o utilizador preenche as informações necessárias para o dimensionamento e a segunda apresenta os resultados finais do dimensionamento. As figuras que se seguem referem-se à constituição gráfica das interfaces do programa. Figura 6.2 - Interface gráfica da entrada de valores. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 95 Figura 6.3 - Interface gráfica de saída de valores. O algoritmo de cálculo, o qual apenas o programador tem acesso, isto é, não é visível na interface nem mesmo durante a execução do programa, encontra-se apresentado em Anexo A. Todos os dados necessário para iniciar a simulação são guardados em variáveis e variáveis constantes, que posteriormente ligadas entre si estabelecem as várias equações, fornecendo assim os resultados finais. Esses resultados são transportados para a interface de saída para que o utilizador possa ter acesso e perceção dos valores e resultado associados a todo o processo de cálculo. Por fim, é também possível a opção de guardar todos os dados referentes às várias etapas de cálculo. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 96 6.4 – Funcionamento da aplicação O primeiro contacto entre o utilizador e a aplicação é a interface de entrada de valores. Nesta o utilizador necessita colocar os dados gerais, como quantidade diária de cal que pretende produzir, o raio interior do forno, a temperatura ambiente, o tipo de combustível e as condições de combustão. Todos os dados a serem impostos pelo utilizador são restringidos a uma gama de valores, a fim de evitar erros de cálculo e resultados finais anómalos. Por último, quando a execução da aplicação for finalizada a interface de saída de resultados é, automaticamente, apresenta. 6.4.1 – Entrada de dados A etapa de entrada de valores consiste. Figura 6.4 - Interface de entrada de dados. • Produção diária de CaO [kg]: neste campo o utilizador deve inserir a quantidade de cal que pretende produzir, com a restrição de valores entre 10000 kg a 30000 kg; • Raio de forno [m]: pode ser escolhido um raio interno para o forno, neste campo o utilizador pode optar por um raio de 1 m ou 1,5 m; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 97 • Diâmetro da pedra de CaCO3: o diâmetro da pedra à entrada pode ser indicado pelo utilizador. Este campo encontra-se restringido a valores entre 30 mm e 100 mm, no entanto o utilizador é aconselhado a optar por valores médios; • Temperatura do meio ambiente [ºC]: a temperatura é considera constante durante as 24h de operação do forno. É igualmente a temperatura de entrada do ar no forno; • Temperatura da pedra CaO à saída [ºC]: a temperatura das pedras de cal à saída da zona de arrefecimento pode ser escolhida, dentro de uma gama de valores de referência; • Combustível: o utilizador pode optar por qual o tipo de combustível pretende para a queimador. No entanto, neste programa apenas é considerado o Gás Natural devido à falta de tempo para se desenvolver um algoritmo para diversos tipos de combustível; • Excesso de ar na combustão: as condições de combustão podem ser escolhidos pelo utilizador, a percentagem de excesso de ar na combustão é restringida a valores na gama de 20% a 50%. 6.4.2 – Desenvolvimento Além dos valores fornecidos pelo utilizador, outros valores são utilizados no procedimento de cálculo. As propriedades físicas dos fluidos são obtidos através de polinómios associados aos mesmos. Com o conhecimento da temperatura média do filme, é possível calcular o calor específico, condutividade térmica, viscosidade cinemática, coeficiente de expansão volumétrica e o número de Prandtl. Os polinómios para a obtenção de cada propriedade foram desenvolvidos a partir dos valores dessas propriedades físicas apresentados nas tabelas de Incropera et al. (2013). As propriedades físicas dos materiais refratários e isolantes, são considerados constantes no programa e foram retiradas das especificações técnicas dos produtos da empresa portuguesa Abrigada, Companhia Nacional de Refratários S.A.. O programa encontra-se dividido em 10 etapas de cálculo. Cada etapa é precedente à outra, havendo mesmo restrições no caso de erros ou valores pouco coerentes, altura em que uma mensagem é presente ao utilizador. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 98 Figura 6.5 - Diagrama de funcionamento da aplicação. 6.4.3 – Saída de dados A interface de saída consiste na apresentação dos resultados mais importantes para a construção de um forno, obtidos do procedimento de cálculo do programa. Iniciar o programa Quantidade de CaO que se pretende produzir Escolher o raio do forno e o diâmetro da pedra de CaCO3 Escolher temperaturas de operação Selecionar combustível e excesso de ar na combustão Introduzir dados na interface Inicio do cálculo Altura do forno Altura da zona de calcinação Altura da zona de arrefecimento Combustão Altura da zona de pré-aquecimento HZona < H Sim Transferência de Calor Não Erro Perda de carga Calcinação Apresentação de resultados Processo de cálculo ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 99 Figura 6.6 - Interface de resultados. • Altura do forno [m]: representa a altura total do forno. o Zona de arrefecimento [m]: representa a altura mínima da zona de arrefecimento; o Zona de calcinação [m]: representa a altura mínima da zona de calcinação; o Zona de pré-aquecimento [m]: representa a altura mínima da zona de pré-aquecimento, isto é apenas a altura necessário para pré-aquecer as pedras de CaCO3 não considerando o armazenamento necessário para produzir a quantidade de CaO requerida; • Diâmetro do forno [m]: representa o diâmetro necessário para a transferência de calor; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 106 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 107 Capítulo 8 Conclusões e sugestões Este capítulo dedica-se à apresentação das principais conclusões obtidas neste estudo, além de fazer referência a algumas sugestões para trabalhos futuros. 8.1. – Conclusão A construção de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais consistiu na elaboração de um algoritmo que permite a automatização de todo o processo de dimensionamento deste sistema Os dados de entrada do programa de simulação desenvolvido neste trabalho abrangem os principais parâmetros de projeto e operação do forno, referentes à sua geometria (raio interno, isolamento térmico), produção (produção diária, tempo de residência), e consumo de combustível (consumo de gás natural e excesso de ar de combustão). O desempenho e a aplicabilidade prática desta aplicação, pode ser para já, considerado bastante positivo, embora careça de um período exaustivo de testes por utilizadores experientes nesta área. § O calcário, por se tratar de uma matéria-prima mineral, apresenta grande variabilidade de composição e estrutura morfológica em geral. Por essa razão, a caracterização deste torna-se de uma etapa imprescindível aos estudos de otimização das condições de operação e mesmo do acompanhamento da qualidade e homogeneidade da cal produzida. Para se solucionar esse impasse, é fundamental que se proceda com uma ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 108 etapa inicial de mapeamento da mina da qual se extrai o calcário em termos de composição e morfologia. § A presença de um caudal mínimo de gás de arrasto é de fundamental importância para que haja uma efetiva calcinação do calcário. A necessidade de inserção de gás (ar) no interior dos fornos industriais tem como objetivo, além de fornecer comburente à queima do combustível, o retirar o dióxido de carbono liberado durante o processo reacional, de forma a reduzir as limitações termodinâmicas. § O tamanho das partículas de calcário desempenha um papel importante na operação do forno. Um diâmetro da partícula adequado deve ser usado no forno. Pequenos pedaços de pedra aumentam a resistência ao escoamento de gás no interior do forno o que pode provocar uma redução na taxa de produção. § As partículas carregadas nos fornos de cal são irregulares e não perfeitamente esféricas, o que é diferente do que pressuposto no modelo de cálculo deste forno, de modo que os resultados das simulações devem ser interpretados com cautela. § A geometria do forno definida deste modelo favorece o escoamento dos gases de combustão, garantindo assim uma maior intensidade dos fenómenos de transferência de calor no interior do forno. Finalmente, espera-se com este trabalho ampliar e difundir o conhecimento sobe o funcionamento de fornos de cal verticais, de forma a auxiliar no projeto de novos fornos e no ajuste daqueles já em operação. 8.2. – Trabalhos Futuros A realização deste trabalho suscitou diversas questões acerca da operação e do comportamento térmico dos fornos. Assim, podem ser sugeridas diversas possibilidades para estudos futuros com a utilização do programa de simulação desenvolvido: § Construção de uma instalação piloto para verificação de outros efeitos, tais como tipo de combustível na qualidade da cal; § Aplicação do programa no projeto de fornos calcinação visando otimizar a produção de cal em termos de produtividade e redução de custos energéticos; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 109 § Estudo sistemático da eficiência energética de fornos verticais com diferentes tipos e espessuras de paredes refratárias e isolantes, a fim de fornecer subsídios para a determinação da relação ótima entre os custos de construção e de operação do forno. Além disso, como o programa de simulação foi desenvolvido desde o início durante este trabalho vislumbrando o seu constante aprimoramento, algumas melhorias podem ainda ser implementadas no código computacional. Ficam como principais sugestões para o desenvolvimento futuro do programa de simulação, as seguintes observações: § Modelação do processo produtivo em programas de dinâmica de fluidos computacional; § Estabelecer uma base de dados com a metodologia de produção de cales de diferentes especificidades, de acordo com o requerimento de sectores consumidores dessa matéria-prima; § Aprimoramento do modelo de cálculo do tempo de residência da carga no interior do forno; § Inserção de equações do balanço de energia de transferência de calor por radiação entre os volumes de controlo, representando também os gases de combustão, as paredes e a carga, a fim de se aproximar o modelo matemática da realidade; § Inserção de equações dos balanços de energia e de massa, de geração ou absorção de energia, devido às reações físicas e químicas que podem ocorrer na carga e nos gases do forno; Uma vez que a industria de cal está entre as mais poluidoras do meio ambiente. Seria importante tomar em consideração combustíveis ou alternativas à combustão para reduzir a emissão de CO2 produzido pela queima do combustível. Num aspeto mais global e a fim de facilitar o projeto de qualquer tipo de forno de calcinação, seria interessante realizar um modelo matemático para todo o tipo e características de fornos, desde a vasta gama de fornos verticais até aos fornos rotativos (entre outros). ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 110 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 111 Referências Anderson, (1973); Resumé of ICI Work on Limestone Calcination, Lime Reactivity and Apparent Density. Azbe, V. J. (1953); Theory and Practice of Lime Manufacture, Part II, Rock Products, p 102-104. Bauer, L. A. F. (1987); Materiais de Construção 1. Livros Técnicos e Científicos Editora, 3ª Edição, Rio de Janeiro – Brasil. Beach, D. H. (1983); Chemical of the month, Vol 60, p 60 – 63. Boynton, R.S. (1980); Chemistry and Technology of lime and limestone. John Wiley & Sons, New York, U.S.A. Ciaccia, P. M. (1974); Aperfeiçoamentos em fornos rotativos de calcinação e terminologia. Metalurgia, São Paulo, Brasil. European Commission, (2013); Reference Documente on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing Industries, Abril 2013, Bruxelas. Garcia-Labiano, F., Abad, A., Diego, L. F., Gayan, P. e Adanez, J. (2002); Calcination of calcium-based sorbents at pressure in a broad range of CO2 concentrations. Chemical Engineering Science, Vol. 57, p. 2381– 2393, Gamej, A.I., Perlevskij, A., Kurchenko O., Bol’shakova, Z. e Malikova, E. (2004); Improvement in quality of preparation of limestone charged into the firing units. Stal, Vol. 12, p. 9 – 11. Guimarães, J. E. P. (2002); A cal – fundamentos e aplicações na engenharia civil. 2ª Edição, São Paulo. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 112 Jauhari, R., Gray, M.R. e Masliya, J.H. (1998); Gas-solid mass transfer in a rotating drum. Canadian Journal of Chemical Engineering, N. 76, p. 224 – 232. Incropera, F.P., Dewitt, D.P., Bergman, T.L. e Lavine, A.S. (2013), Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition, John Wiley & Sons, New York. Kawasaki Heavy Industries (1983); Explanations on Kawasaki’s lime calcining plant – Dedini Kawasaki Engenharia S.A., São Paulo. Kinsler, T. J. (1991); Operation of calcimatic kilns, National Lime Association, Meeting 1991, Arlington, U.S.A. Kramers, H. e Crookewit, P. (1952); The passage of granular solid through inclined rotary kilns. Chemical Engineering Science, N. 1, p. 259. Koike, K. e Matsuda, S. (2003); Characterizing content distributions of impurities in a limestone mine using a feed forward neural network. Natural Resources Research, Vol. 12, N. 3. Lebas, E.F., Hanrot, F., Ablitzer, D. e Houzelot, J.L. (1995); Experimental study of residence time, particle movement and bed depth profile in rotary kilns. Canadian Journal of Chemical Engineering, N. 73, p. 173179. Leslie, A. B. e Hughes, J. J. (2004); High-temperature slag formation in historic Scottish mortars: evidence for production dynamics in 18th 19th century lime production from Charlestown. Materials Characterization, Vol. 53, p. 181-186. Levenspiel, O (1998); Engineering flow and heat exchange. Rev. Ed., Plenum Press, New York. LNEG, Laboratório Nacional de Energia e Geologia, http://www.lneg.pt, acedido em 15 de Outubro 2015. Manfred, D. R. e Grinfeder, C. A. (1976); Fornos Rotativos, Forno Lepol para a fabriação de cal virgem – 1º Seminário sobre operação de fornos, Associação Brasileira dos Produtores de Cal, São Paulo, Brasil. Meier, A., Bonaldi, E., Cella, G.M., Lipinski, W., Palumbo, R., Steinfeld, A., Wieckert, C. E Wuillemin, D. (2004); Towards the industrial production of lime, PSI Scientific Report 2003, Volume 5, p. 31 – 32. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 113 Mereu, F. (1994); Maerz Vertical Limes Shaft Kiln for the Calcination of Small Size Limestone, Proc. 8th International Lime Congress, Berlin. Millet, J. e Alii (1979); Influência da temperatura de calcinação e da natureza do calcário sobre a mineralogia das cales virgens, tradução Maria Cincotto, Associação Brasileira dos Produtos de cal. N.T. 71-1979, São Paulo, Brasil, National Lime Association (1957); Chemical Lime Facts, Bul. 214, Arlington, U.S.A. Oates, J.A.H. (1998); Lime and Limestone: Chemistry and Technology, Production and Uses. Wiley-VCH, Weinheim. Ochoa, P.A.G. et al. (2010); Cleaner production in a small lime factory by means of process control, Journal of Cleaner Production, Vol.18, N.12, p. 1171 – 1176. Paiva, S.C.; Gomes, E.A.; Oliveira, R.A. (2007); Controle de Qualidade da Cal para Argamassas – Metodologias Alternativas. Revista Ciência & Tecnologia. Ano 1, Nº 1, p.1 – 11. Perona, F. (1976); Fornos verticais Azbe: Operação, 1º Seminário sobre operação de fornos, Associação Brasileira dos Produtos de Cal, São Paulo, Brasil. Pinho, C., (2011), Combustão, Anexo II – Física da Combustão. Departamento de Engenharia Mecânica, FEUP, p. 296 – 297, Porto, Portugal. Predescu, L. (1989); Pleading for the vertical lime kiln, Revue Génerale de Thermique, p. 273 – 279. Quallical, www.quallical.com.br, acedido em 4 em Novembro de 2015. Rovaglio, M., Manca, D., Biardi, G. (1998); Dynamic Modeling of Waste Incineration Plants With Rotary Kilns, Chemical Engineering Science, Vol. 53, N 15, p. 2727 – 2742. Ruckensteiner, G., Burczeck, J. e Ludwing, U. (1995); Factors Affecting the Thermal Stability of the Internal Structure When Burning Limestone; Zement Kalk Gyps 6. Saeman, W. C. (1951); Passage of solids through rotary kilns; Chemical Engineering Progress, N. 47, p. 508-514. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 114 Schwarzkorf, F (1978); Lime burning technology: A manual for lime plant operators, Kennedy Van Saun Corporation, Danville, U.S.A. Scott, G. D. (1960); Packing of spheres Nature, N. 188, p. 908 – 911. Shreve, R. N., e Brink, J. A. Jr. (1977); Chemical Process Industries, 4th Ed, p. 156 – 178. Silcox, G.D., Kramlich, J.C. e Pershing, D.W. (1989); A mathematical model for the flash calcination of dispersed CaCO3 and Ca(OH)2 particles, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 28, p. 155 – 160. Smidth, F.L.S. (1975); Lime kiln systems, F.L.S., Folheto 1975, Copenhagen, Dinamarca. Spurling, R.J., Davidson, J.F. e Scott, D.M. (2000); The no-flow problem for granular material in rotating kilns and dish granulators; Chemical Engineering Science, N. 55, p. 2303 – 2313. Sullivan, J.D., Maier, C.G. e Ralston, O.C. (1927); Passage of solid particles through rotary cylindrical kilns; US Bureaus of Mines, Technical Papers 384, p. 1 – 42. Thompson, J. L. (1979); “Prediction Lime Burning Rate via New Dynamic Calcination Theory”, Pit and Quarry 5. Tran, H.N., Vollick, S., Gauthier, M. e McNeil, C., (2005); Correlation between nodule size and residual carbonate content in lime kiln; Proceedings of Tappi Environmental Pulping and Engineering Conference, Philadelphia. Wikipédia, https://pt.wikipedia.org/wiki/Pré-Cambriano, acedido em 15 de Outubro de 2015. Yang, W-C. (2003); Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems, Marcel Dekker, Inc., New York, U.S.A. Zou, R.P. e Yu, A.B., (1995), The parcking of spheres in a cylindrical container: the thickness effect, Chem. Eng. Sci, p. 1504 – 1507. ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 115 Anexo A Algoritmo do Programa ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 122 package Fase3; public class Variables { public static int Tps1; public static int Tge1; public static double At; public static double Ab; public static double Re1; public static double mG1; public static double h1; public static double Qg1; public static double H1; public void definirVariaveisUtilizador(int Tps1_user, int Tge1_user){ Tps1 = Tps1_user; Tge1 = Tge1_user; } public void definirVariaveis(double At_user, double Ab_user, double Re1_user, double mG1_user, double h1_user, double Qg1_user, double H1_user){ At = At_user; Ab = Ab_user; Re1 = Re1_user; mG1 = mG1_user; h1 = h1_user; Qg1 = Qg1_user; H1 = H1_user; } public int getTps1() { return Tps1; } public int getTge1() { return Tge1; } public double getAt() { return At; } public double getAb() { return Ab; } public double getRe1() { ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 123 return Re1; } public double getmG1() { return mG1; } public double geth1() { return h1; } public double getQg1() { return Qg1; } public double getH1() { return H1; } } package Fase3; import Viewer.Resultados; public class Equations { public static void equation3() { Resultados.resultados.append("---------- Fase 3: Altura da zona de arrefecimento ---------- ").append(System.getProperty("line.separator")); Variables.At = equation3_At(Fase1.Variables.dp); System.out.println("A quantidade de At é: " + Variables.At); Resultados.resultados.append("A área de transferência de calor (At) é [m2]: ").append(Variables.At).append(System.getProperty("line.separator")); Variables.Ab = equation3_Ab(Fase1.Variables.R); System.out.println("A quantidade de Ab é: " + Variables.Ab); Variables.Re1 = equation3_Re1(Fase1.Variables.dp); System.out.println("A quantidade de Re1 é: " + Variables.Re1); Resultados.resultados.append("O número de Reynolds (Re1) é: ").append(Variables.Re1).append(System.getProperty("line.separator")); Variables.mG1 = equation3_mG1(Variables.Ab); System.out.println("A quantidade de mG1 é: " + Variables.mG1); Resultados.resultados.append("O caudal de ar (mG1) é [kg/s]: ").append(Variables.mG1).append(System.getProperty("line.separator")); Variables.h1 = equation3_h1(Fase1.Variables.dp, Variables.Re1); System.out.println("A quantidade de h1 é: " + Variables.h1); ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 124 Resultados.resultados.append("O coeficiente de transferência de calor por convecção (h1) é [W/m2K]: ").append(Variables.h1).append(System.getProperty("line.separator")); Variables.Qg1 = equation3_Qg1(Variables.mG1, Variables.Tge1); System.out.println("A quantidade de Qg1 é: " + Variables.Qg1); Resultados.resultados.append("A quantidade de energia (Qg1) é [kW]: ").append(Variables.Qg1).append(System.getProperty("line.separator")); Variables.H1 = equation3_H1(Variables.Qg1, Fase1.Variables.dp, Fase3.Variables.Tps1, Fase3.Variables.Tge1, Variables.h1, Variables.At); System.out.println("A altura da zona de arrefecimento é (H1): " + Variables.H1); Resultados.resultados.append("A altura da zona de arrefecimento é (H1): ").append(Variables.H1).append(System.getProperty("line.separator")); Resultados.resultados.append("---------- Fim da Fase 3 ---------- ").append(System.getProperty("line.separator")).append(System.getProperty("line.separator")); } public static double equation3_At(double dp){ double At = 0.0; At = ((Math.PI)*(Math.pow((dp*0.001),2)))/4; //m2 return At; } public static double equation3_Ab(double R){ double Ab = 0.0; Ab = (Math.PI)*(Math.pow(R,2)); //m2 return Ab; } public static double equation3_Re1(double dp){ double Re1 = 0.0; Re1 = (dp*0.001*Constants.Uf1*Constants.RhoG1)/Constants.muG1; return Re1; } public static double equation3_mG1(double Ab){ double mG1 = 0.0; mG1 = Constants.RhoG1*Constants.Uf1*Ab; // kg/s return mG1; } public static double equation3_h1(double dp, double Re1){ double h1 = 0.0; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 125 h1 = Constants.kG1/(dp*0.001)*(2+1.1*(Math.pow(Constants.Pr1,0.33333))*(Math.pow(Re1,0.6))); // kW/m2K return h1; } public static double equation3_Qg1(double mG1, int Tge1){ double Qg1 = 0.0; Qg1 = mG1*Constants.Cp1*(Constants.Tgc1-Tge1)*0.001; //kW return Qg1; } public static double equation3_H1 (double Qg1, double dp, double Tps1, double Tge1, double h1, double At){ double H1 = 0.0; H1 = Qg1*(dp*0.001)*(Math.log((Fase3.Constants.Tpc1-Fase3.Constants.Tgc1)/(Tps1Tge1)))*(1/(h1*At*6*(1-Fase1.Constants.E)))*(1/((Fase3.Constants.Tpc1-Fase3.Constants.Tgc1)- (Tps1-Tge1))); return H1; } } package Fase4; public class Constants { public final static double X1 = 0.837; // CH4 public final static double X2 = 0.076; // C2H6 public final static double X3 = 0.0192; // C3H8 public final static double X4 = 0.007; // C4H10 public final static double X5 = 0.0017; // C5H12 public final static double X6 = 0.0008; // C6H14 public final static double X7 = 0.0023; // CO2 public final static double X8 = 0.002; // He public final static double X9 = 0.054; // N2 public final static int M1 = 16; public final static int M2 = 30; public final static int M3 = 44; public final static int M4 = 58; public final static int M5 = 72; public final static int M6 = 86; public final static int M7 = 44; public final static int M8 = 4; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 126 public final static double M9 = 28.15; public final static double M10 = 44; public final static double M11 = 18; public final static double M12 = 28.15; public final static double M13 = 4; public final static double M14 = 32; public final static double b4 = 126.15; public final static double a1 = 13.39; public final static double a2 = 2.28; public final static double a3 = 0.84; public final static double a4 = 0.41; public final static double a5 = 0.12; public final static double a6 = 0.07; public final static double a7 = 0.10; public final static double a8 = 0.01; public final static double a9 = 1.52; public final static double b1 = 18.74; public final static double Cp10 = 1.3197; // CO2 public final static double Cp11 = 2.6042; //H2O public final static double Cp12 = 1.241; // N2 public final static double Cp13 = 5.234; // He public final static double Cp14 = 1.2083; // O2 public final static double mu10 = 0.00004786; public final static double mu11 = 0.00002677; public final static double mu12 = 0.0000413; public final static double mu13 = 0.0000465; public final static double mu14 = 0.0000493; public final static double mu = 0.0000405199873422109; // 50% excesso public final static double mu = 0.0000399376361836751; // 30% excesso public final static double mu = 0.000040351991373418; // 40% excesso public final static double k10 = 0.101309; //CO2 public final static double k11 = 0.180265; //H2O public final static double k12 = 0.090912; //N2 public final static double k13 = 0.00017038; //He public final static double k14 = 0.09839; //O2 public final static double k = 0.108690291223773; // 50% excesso public final static double k = 0.11214316086005; // 20% excesso public final static double k = 0.10969818513613; // 40% excesso ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 127 public final static double rhoGN = 0.8404; public final static double PCIm = 37.91; public final static int CalorReacao = 4484; public final static int C = 12; public final static int O = 16; public final static double N = 28.15; public final static int He = 4; public final static int H = 1; } package Fase4; public class Variables { public static double e; public static double n0Esteq; public static double n1Esteq; public static double n2Esteq; public static double n3Esteq; public static double n4Esteq; public static double n1; public static double n2; public static double n3; public static double n4; public static double n5; public static double X10; public static double a10; public static double y10; public static double c10; public static double e10; public static double G10; public static double X11; public static double a11; public static double y11; public static double c11; public static double e11; public static double G11; public static double X12; public static double a12; public static double y12; public static double c12; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 128 public static double e12; public static double G12; public static double X13; public static double a13; public static double y13; public static double c13; public static double e13; public static double G13; public static double X14; public static double a14; public static double y14; public static double c14; public static double e14; public static double G14; public static double b2; //Somatório ni public static double b3; // Xi*Mi public static double Cpp; public static double b4; // Somatório Mi public static double b5; // Somatório MUi public static double CalorNec; public static double PCI; public static double mCombDia; public static double mComb; // kg/s (caudal de combustível) public static double mp; // kg (Massa dos produtos) public static double RazaoProdComb; public static double dotMp; // kg/s (caudal de produtos) public void definirVariaveisUtilizador(double e_user){ e = e_user; } public void definirVariaveis( double n0Esteq_user, double n1Esteq_user, double n2Esteq_user, double n3Esteq_user, double n4Esteq_user, double n1_user, double n2_user, double n3_user, double n4_user, double n5_user, double X10_user, double X11_user, double X12_user, double X13_user, double X14_user, double a10_user, double a11_user, double a12_user, double a13_user, double a14_user, double y10_user, double y11_user, double y12_user, double y13_user, double y14_user, double c10_user, double c11_user, double c12_user, double c13_user, double c14_user, double e10_user, double e11_user, double e12_user, double e13_user, double e14_user, double G10_user, double G11_user, double G12_user, double G13_user, double G14_user, double b2_user, double ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 129 b3_user, double Cpp_user, double b4_user, double b5_user, double CalorNec_user, double PCI_user, double mCombDia_user, double mComb_user, double mp_user, double RazaoProdComb_user, double dotMp_user){ n0Esteq = n0Esteq_user; n1Esteq = n1Esteq_user; n2Esteq = n2Esteq_user; n3Esteq = n3Esteq_user; n4Esteq = n4Esteq_user; n1 = n1_user; n2 = n2_user; n3 = n3_user; n4 = n4_user; n5 = n5_user; X10 = X10_user; X11 = X11_user; X12 = X12_user; X13 = X13_user; X14 = X14_user; a10 = a10_user; a11 = a11_user; a12 = a12_user; a13 = a13_user; a14 = a14_user; y10 = y10_user; y11 = y11_user; y12 = y12_user; y13 = y13_user; y14 = y14_user; c10 = c10_user; c11 = c11_user; c12 = c12_user; c13 = c13_user; c14 = c14_user; b2 = b2_user; b3 = b3_user; Cpp = Cpp_user; CalorNec = CalorNec_user; PCI = PCI_user; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 130 mCombDia = mCombDia_user; mComb = mComb_user; mp = mp_user; RazaoProdComb = RazaoProdComb_user; dotMp = dotMp_user; } public double gete() { return e; } public double getn0Esteq() { return n0Esteq; } public double getn1Esteq() { return n1Esteq; } public double getn2Esteq() { return n2Esteq; } public double getn3Esteq() { return n3Esteq; } public double getn4Esteq() { return n4Esteq; } public double getn1() { return n1; } public double getn2() { return n2; } public double getn3() { return n3; } public double getn4() { return n4; } public double getn5() { return n5; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 131 } public double getX10() { return X10; } public double getX11() { return X11; } public double getX12() { return X12; } public double getX13() { return X13; } public double getX14() { return X14; } public double geta10() { return a10; } public double geta11() { return a11; } public double geta12() { return a12; } public double geta13() { return a13; } public double geta14() { return a14; } public double gety10() { return y10; } public double gety11() { return y11; } public double gety12() { ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 234 .addContainerGap()) ); pack(); } private void ImprimirActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) { guardar_ficheiroActionPerformed(evt); } private void guardar_ficheiroActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) { //this.erro_nao_existe.setVisible(false); int returnVal = this.fc.showSaveDialog(this); if (returnVal == JFileChooser.APPROVE_OPTION) { File file = this.fc.getSelectedFile(); try { if(file.exists() == false){ if(guardarFicheiro(file.getPath()) == 0){ JOptionPane.showMessageDialog(null, "Erro na escrita do ficheiro de resultados! Tente novamente."); } } else { JOptionPane.showMessageDialog(null, "Já existe um ficheiro com esse nome! Tente novamente."); } } catch (IOException ex) { JOptionPane.showMessageDialog(null, "Erro na escrita do ficheiro de resultados! Tente novamente."); } } else { JOptionPane.showMessageDialog(null, "Nada foi escrito! Tente novamente."); } } private int guardarFicheiro(String caminho_ficheiro_guardar) throws IOException { if(caminho_ficheiro_guardar != null){ BufferedWriter out = new BufferedWriter(new FileWriter(caminho_ficheiro_guardar)); out.write(this.resultados.toString()); out.close(); return 1; } ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 235 else{ return 0; } } private void DActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) { } private javax.swing.JTextField D; private javax.swing.JTextField DeltaP; private javax.swing.JTextField H; private javax.swing.JTextField H1; private javax.swing.JTextField H2; private javax.swing.JTextField H3; private javax.swing.JButton Imprimir; private javax.swing.JTextField Tpex; private javax.swing.JTextField Tpex3p; private javax.swing.JTextField esp; private javax.swing.JLabel jLabel1; private javax.swing.JLabel jLabel10; private javax.swing.JLabel jLabel11; private javax.swing.JLabel jLabel12; private javax.swing.JLabel jLabel13; private javax.swing.JLabel jLabel14; private javax.swing.JLabel jLabel15; private javax.swing.JLabel jLabel16; private javax.swing.JLabel jLabel17; private javax.swing.JLabel jLabel18; private javax.swing.JLabel jLabel19; private javax.swing.JLabel jLabel2; private javax.swing.JLabel jLabel20; private javax.swing.JLabel jLabel21; private javax.swing.JLabel jLabel22; private javax.swing.JLabel jLabel3; private javax.swing.JLabel jLabel4; private javax.swing.JLabel jLabel5; private javax.swing.JLabel jLabel6; private javax.swing.JLabel jLabel7; private javax.swing.JLabel jLabel8; private javax.swing.JLabel jLabel9; ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 236 private javax.swing.JTextField mComb; } ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 237 Anexo B Propriedades físicas Polinómios desenvolvidos para o programa das propriedades físicas do ar à pressão atmosférica. § Condutividade térmica: k (x) = -1,1198897E-17x6 + 8,7864215E-15x5 - 4,4374479E-12x4 + 9,6559189E-10x3 - 6,7839993E-08x2 + 7,1477994E-05x + 2,4295037E-02 § Viscosidade cinemática: y (x) = 4,365140866895E-20x6 - 4,039290616056E-17x5 + 1,088015085567E-14x4 - 1,141636784366E-12x3 + 1,444436360192E10x2 + 8,699748434118E-08x + 1,331422047548E-05 § Coeficiente de expansão volumétrica: β (x) = 5,8070940E-17x6 - 2,9994199E-14x5 + 5,1941928E-12x4 - 3,7374860E-10x3 + 3,9708796E-08x2 - 1,2953005E-05x + 3,6734906E-03 § Número de Prandtl: Pr (x) = -8,9663606E-15x6 + 4,2151568E-12x5 - 5,8250457E-10x4 + 8,6537272E-09x3 + 2,4053808E-06x2 - 1,9350745E-04x + 7,1547018E-01 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 238 ! Desenvolvimento de um programa de dimensionamento de fornos de cal verticais 239 Anexo C Tabelas das propriedades físicas do tijolo refratário e isolante.