BRPI0718621A2 - Processo para a produção de cimento, dióxido de carbono, instalação de cimento, e, cimento. - Google Patents

Processo para a produção de cimento, dióxido de carbono, instalação de cimento, e, cimento. Download PDF

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Description

"PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE CIMENTO, DIÓXIDO DE CARBONO, INSTALAÇÃO DE CIMENTO, E, CIMENTO"
Esta invenção diz respeito a um processo para a produção de cimento no qual parte do dióxido de carbono produzido é separada de outros gases envolvidos em uma corrente gasosa com um maior teor de dióxido de carbono.
A produção de cimento gera quantidades substanciais de dióxido de carbono. O dióxido de carbono é produzido de duas maneiras. Um dos materiais na produção de cimento é carbonato de cálcio. O carbonato de cálcio é aquecido para calciná-lo e perde dióxido de carbono para formar óxido de cálcio. A queima de combustível contendo carbono para gerar as altas temperaturas exigidas para produzir cimento também gera dióxido de carbono. Por questões ambientais é desejável reduzir a quantidade de dióxido de carbono liberado na atmosfera. As matérias primas para produção de cimento, que incluem
carbonato de cálcio, são em geral misturadas, secas e moídas para formar uma "farinha bruta" que é então processado para produzir clínquer, o principal componente do cimento. Em uma etapa de pré-aquecimento, a farinha bruta é aquecida logo abaixo da temperatura de calcinação. Ela passa então para uma calcinadora onde ocorre mais aquecimento e, à medida que a temperatura aumenta, ocorre a calcinação do carbonato de cálcio em óxido de cálcio, e dióxido de carbono é liberado. A farinha bruta calcinada então passa para um forno onde ela é aquecida a temperaturas mais altas para produzir clínquer e é subseqüentemente moído para produzir um pó de cimento. Ar é geralmente usado como uma fonte de oxigênio para
combustão de combustível para prover calor para a calcinadora e o forno. Os principais gases presentes no ar são nitrogênio (cerca de 80 % em volume) e oxigênio (cerca de 20 % em volume).
A combustão de um combustível a base de carbono sólido ou líquido pode ser sumarizada na equação:
C + O2 = CO2
O volume do combustível sólido ou líquido é desprezível em relação ao dos gases envolvidos. Um volume de oxigênio produz um volume de dióxido de carbono. Nitrogênio presente no ar usado para combustão não está envolvido na combustão. Após a combustão, a corrente gasosa contém cerca de 80 % em volume de nitrogênio e cerca de 20 % de dióxido de carbono. O volume total de gás é aumentado pelo calor gerado.
Quando um combustível de hidrocarbonetos sólido ou líquido é queimado, hidrogênio combinado presente no combustível combina com oxigênio de acordo com a equação:
4H + O2 = 2H20
A água gerada é no estado gasoso e é, portanto, presente como um diluente gasoso do dióxido de carbono que é também produzido. Um volume de oxigênio produz dois volumes de água gasosa, o volume do combustível hidrocarbonáceo sólido ou líquido sendo desprezível em relação aos volumes de gás envolvidos. Água gasosa, portanto, contribui para um aumento no volume de gás formado pela combustão, comparado com o volume de oxigênio usado. Entretanto, ela é facilmente separada do dióxido de carbono pelo simples resfriamento em um estágio posterior na operação. O volume total de gás aumenta no estágio de combustão com o aumento da temperatura.
Nos gases combinados do processo de calcinação e da queima de combustível, o dióxido de carbono geralmente está presente de 14 a 33 % em volume. O outro constituinte principal do gás é nitrogênio. Embora a mistura de nitrogênio e dióxido de carbono possa ser separada e o dióxido de carbono armazenado para impedir sua liberação na atmosfera, a energia necessária para realizar a separação é muito alta para torná-lo viável. Se nitrogênio no ar for removido e o oxigênio substancialmente puro resultante usado para queimar um combustível, nitrogênio então não está presente como um diluente do dióxido de carbono produzido.
Se fosse usado oxigênio no lugar de ar na queima de todo o combustível necessário para produzir cimento, isto poderia incorrer em custo adicional. Além do mais, processos de combustão envolvendo oxigênio não diluído em geral se dão com grande vigor e geram temperaturas muito altas capazes de danificar ou reduzir a vida útil da instalação de produção.
A presente invenção procura reduzir as emissões de dióxido de carbono na produção de cimento usando oxigênio para queimar somente parte do combustível necessário no processo de produção de cimento e pela separação do gás proveniente do estágio de calcinação do gás proveniente do forno onde ocorre a formação de clínquer. O processo pode ser usado no processo seco conhecido e em outros processos, por exemplo, no processo úmido. O uso de oxigênio, substancialmente puro ou em mistura com dióxido de carbono, na calcinadora em conjunto com a separação do gás que deixa a calcinadora oferece benefício ambiental.
A presente invenção, dessa maneira, fornece um processo para a produção de cimento que compreende a calcinação de farinha bruta contendo carbonato de cálcio em uma calcinadora aquecida pela combustão de um combustível contendo carbono com um gás compreendendo oxigênio e de 0 a 80 % em volume de dióxido de carbono, e substancialmente sem nitrogênio, e isolamento do gás produzido pela combustão e calcinação na calcinadora.
O fluxo de farinha bruta é geralmente similar ao dos processos conhecidos para a produção de cimento. Em tais processos, farinha bruta é aquecida em um pré-aquecedor, por exemplo, um pré-aquecedor tipo ciclone, é então introduzida em uma calcinadora, por exemplo, uma calcinadora de cadinho. A farinha bruta da calcinadora é alimentada em um forno. O pré- aquecedor recebe gás quente do forno e da calcinadora. No processo da invenção, o gás da calcinadora compreende uma alta proporção de dióxido de carbono e é adequado, depois do tratamento apropriado (por exemplo, resfriamento e remoção de sujeira) para armazenamento ou outros usos sem liberação na atmosfera.
A temperatura do dióxido de carbono que deixa a calcinadora
é geralmente 800 a 900 °C. O gás pode ser resfriado, por exemplo, em um gerador de vapor para gerar energia elétrica. A fim de minimizar a entrada de gás, que pode reduzir a porcentagem de dióxido de carbono a subpressão no gerador de vapor, é preferivelmente evitada. O gerador de vapor é preferivelmente operado a uma sobrepressão. O gás é então preferivelmente limpo antes do armazenamento, por exemplo, armazenamento geológico subterrâneo, por exemplo, em campos de óleo ou gás esgotados, ou um outro uso sem liberação na atmosfera.
O gás usado para suportar a combustível de combustível preferivelmente compreende pelo menos 50 % em volume de oxigênio, por exemplo, pelo menos 80 %, preferivelmente pelo menos 90 %, mais preferivelmente pelo menos 95 %. Ele é substancialmente sem nitrogênio. Ele pode compreender dióxido de carbono, por exemplo, dióxido de carbono reciclado da corrente gasosa que deixa a calcinadora. Tal dióxido de carbono pode ser introduzido na calcinadora separadamente do gás rico em oxigênio ou misturado com ele. Oxigênio pode ser introduzido, por exemplo, com gás reciclado proveniente da calcinadora, geralmente na base da calcinadora. Ele pode também ser introduzido em um ou mais pontos substancialmente nivelados com todo ou qualquer queimador. Dióxido de carbono e combustível podem cada qual também ser introduzidos em um ou mais pontos de entrada.
A presença de uma pluralidade de pontos de entrada na calcinadora facilita a regulagem da temperatura que pode de outra forma subir muito quando o gás para a combustão de combustível compreende uma alta proporção de oxigênio. A calcinação de carbonato de cálcio em óxido de cálcio e dióxido de carbono é um processo endotérmico: a introdução de farinha bruta em uma entrada ou em uma pluralidade de entradas pode, portanto, ser usada para regular a temperatura.
A quantidade de oxigênio é controlada para garantir
combustão substancialmente completa de combustível, mas de forma a minimizar oxigênio em excesso.
A farinha bruta para calcinação é geralmente seca em uma etapa de pré-aquecimento. Farinha bruta calcinada proveniente da calcinadora é alimentada em um forno para formação de clíquer. Calor do forno é provido pela queima de combustível em um gás contendo oxigênio, geralmente no ar.
O calor necessário para pré-aquecer é geralmente provido pelo gás do forno. A temperatura máxima durante o pré-aquecimento é preferivelmente controlada para evitar calcinação prematura e liberação de dióxido de carbono. A temperatura da farinha bruta que deixa o pré-aquecedor é preferivelmente menor que cerca de 800 °C, geralmente menor que cerca de 750 °C. O combustível usado para calcinação e para o forno pode ser o mesmo ou diferente, mas geralmente são iguais. Se gás da calcinação tiver que ser armazenado ou disposto, por exemplo, debaixo da terra, a presença de quantidades secundárias de óxidos de enxofre e/ou nitrogênio pode ser permitida, em cujo caso o combustível pode conter materiais contendo enxofre e/ou nitrogênio. Tais combustíveis geralmente são mais baratos. O teor de enxofre no combustível é preferivelmente baixo (menor que 6 %). O teor de nitrogênio no combustível é preferivelmente baixo (menor que 1,5 %). Se for necessário dióxido de carbono de alta pureza da calcinação, combustível que é substancialmente sem nitrogênio e enxofre é preferivelmente usado. A farinha bruta é então também de preferência substancialmente sem esses elementos. A farinha bruta preferivelmente tem um baixo teor de sulfato de cálcio e enxofre pirítico. O combustível usado é preferivelmente carvão ou coque de petróleo. Combustível residual pode ser usado, mas então é necessário um rigoroso controle da combustão.
O processo de acordo com a invenção permite a produção de uma corrente gasosa a partir da calcinadora com um maior teor de dióxido de carbono. A invenção procura prover uma corrente gasosa compreendendo pelo menos 90 % em volume de dióxido de carbono, preferivelmente pelo menos 95 %, por exemplo, 92 a 93 %.
Calcinação é geralmente realizada introduzindo-se farinha bruta pré-aquecida em uma corrente gasosa, geralmente uma corrente gasosa ascendente. A corrente gasosa é geralmente produzida pela queima de combustível. Se necessário, a fim de suportar a farinha bruta na corrente gasosa ascendente, parte do gás contendo dióxido de carbono que deixa a calcinadora pode ser recirculada e reintroduzida na corrente gasosa ascendente.
A velocidade da corrente gasosa necessária para suportar a farinha bruta depende, por exemplo, da fineza da farinha. A fineza da farinha bruta usada no processo da invenção pode variar: finezas conhecidas podem ser usadas. Farinha bruta com um pequeno tamanho de partícula é preferivelmente usada para facilitar o transporte da farinha pela corrente gasosa. Uma farinha que deixa 10 % em peso de resíduos em uma peneira de 75 mícrons (200 mesh) é vantajosamente usada). Tipicamente, um metro cúbico de gás (volume a temperatura e pressão padrões) que passa por uma calcinadora suportarão 2 kg de farinha bruta. Quando a corrente gasosa é recirculada, água gasosa que pode ser gerada pela combustão do combustível pode também contribuir para o volume do gás recirculado. A concentração de dióxido de carbono na calcinadora é então correspondentemente reduzida.
O tempo de residência da farinha bruta na calcinadora é relativamente pequeno, por exemplo, 5-6 segundos. A presença de uma alta concentração de dióxido de carbono na corrente gasosa que leva a farinha bruta pode reduzir a velocidade na qual dióxido de carbono evolui pela calcinação a uma dada temperatura. Se a concentração de dióxido de carbono na corrente gasosa for alta, pode ser desejável aumentar a temperatura para garantir um nível desejado de calcinação a partir da farinha bruta durante sua presença na calcinadora. A concentração de dióxido de carbono na corrente gasosa na calcinadora é geralmente mantida a um nível mais baixo possível consistente com o transporte efetivo de farinha através da calcinadora e o nível desejado de calcinação. O nível de calcinação na farinha que deixa a calcinadora é
geralmente pelo menos 60 %, por exemplo, 70 a 80 %, preferivelmente pelo menos 90 %. Pode ser desejável controlar o nível de calcinação em 80 % ou mais em peso, deixando até 20 % de dióxido de carbono residual na farinha, por exemplo, um nível de 92 a 95 %, deixando 5 a 8 % de dióxido de carbono residual na farinha bruta que deixa a calcinadora.
A ausência de materiais tais como álcalis, sulfatos e cloretos na corrente gasosa na calcinadora facilita sua operação. Em processo conhecidos, tais materiais podem estar presentes, originando em gás do forno.
A calcinadora usada no processo da invenção pode ser de um desenho conhecido, por exemplo, uma calcinadora de cadinho. Vazamento de ar para a calcinadora é preferivelmente evitado. Isto é facilitado controlando- se as condições de pressão no processo de produção de cimento geral. A fim de reduzir a entrada de ar durante operação do processo, é desejável manter uma pressão ligeiramente reduzida na calcinadora em relação à pressão na entrada do forno. A redução é geralmente menor que 1 milibar, por exemplo, cerca de 0,3 milibar.
Uma nova calcinadora para operação de acordo com a invenção pode ser modernizada para operar em paralelo com uma calcinadora existente. O suprimento de farinha bruta a partir do pré-aquecedor é então dividido entre a calcinadora nova e a existente. Toda ou parte, por exemplo, % ou mais, preferivelmente até 50 % da farinha, pode ser desviada para a nova calcinadora. A liberação geral de dióxido de carbono para a atmosfera a partir da etapa de calcinação pode assim ser reduzida aproximadamente em proporção à alimentação de farinha bruta nas calcinadoras nova e existente. De uma maneira similar, a invenção pode ser equipada com um processo de forno de pré-aquecimento de suspensão existente.
A invenção está ilustrada adicionalmente nos desenhos anexos,
em que:
A figura 1 ilustra uma forma diagramática do processo da
invenção;
A figura 2 ilustra com mais detalhes um pré-aquecedor para realizar um processo de acordo com a invenção;
A figura 3 ilustra com mais detalhes o arranjo de uma calcinadora para realizar um processo de acordo com a invenção; e
A figura 4 ilustra uma instalação de produção de clíquer de cimento que incorpora o pré-aquecedor ilustrado na figura 2 e a calcinadora ilustrada na figura 3 para realizar um processo de acordo com a invenção.
Referindo-se à figura 1, farinha bruta é alimentada em um pré- aquecedor (1). A farinha pré-aquecida é alimentada do pré-aquecedor (1) em uma calcinadora (3) como indicado pela seta entre elas. Gás quente do pré- aquecedor (1) sai ao longo da linha (2). Farinha pré-calcinada da calcinadora (3) é alimentada em um forno (4) como indicado pela seta. Gases contendo uma alta porcentagem de dióxido de carbono deixam a calcinadora (3) por meio de um ventilador (5). Gases da linha (2) saem por meio de um ventilador
(6) para o moinho para produzir farinha bruta.
Referindo-se à figura 2, os componentes (2), (3), (4), (5) e (6) são como na figura 1. A farinha bruta passa sucessivamente pelos ciclones
(7), (8), (9), (10) e (11) e então para a calcinadora (3). O gás quente do forno (4) escoa através do canal de subida (12) para o ciclone (11); gás quente do ciclone (11) escoa através do canal de subida (13) para o ciclone (10); gás quente do ciclone (10) escoa através do canal de subida (14) para o ciclone (9); gás quente do ciclone (9) escoa através do canal de subida (15) para os ciclones (7) e (8).
Farinha bruta fresca é alimentada no canal de subida (15) e é levantada até os ciclones (7) e (8); farinha dos ciclones (7) e (8) é alimentada no canal de subida (14) e é levantada pelo gás quente para o ciclone (9); farina do ciclone (9) é alimentada no canal de subida (13) e é levantado até o ciclone (10); farinha do ciclone (10) é alimentada no canal de subida (12) e é levantada até o ciclone (11); a farinha vai do ciclone (11) para a calcinadora
(3)·
Referindo-se à figura 3, os componentes (1), (2), (3), (4) e (6) são como nas figuras 1 e 2. Combustível da calcinadora entra na calcinadora (3) pela linha (13). Oxigênio é injetado pela linha (14). Gás contendo dióxido de carbono recirculado é alimentado na calcinadora (3) pela linha (15). Gases e farinha pré-calcinada deixam a calcinadora (3) passam para um ciclone (16). Farinha pré-calcinada passa do ciclone (16) para o forno (4). Gás contendo dióxido de carbono separado deixa o ciclone (16) pela linha (17). O gás na linha (17) é separado em duas correntes. Uma primeira corrente na linha (17) passa para um aquecedor de vapor (18) e em seguida para um ventilador do trocador (19). Gás que deixa o ventilador do trocador (19) é dividido em duas correntes. Uma primeira corrente do ventilador do trocador (19) sai pela linha (20). Esta primeira corrente que sai na linha (20) é o gás rico em dióxido de carbono desejado do processo de acordo com a invenção. Uma segunda corrente de gás do ventilador do trocador (19) passa ao longo da linha (21). Uma segunda corrente de gás da linha (17) passa ao longo da linha (22) para a linha (21). As correntes de gás combinadas das linhas (21) e (22) passam pelo ventilador de recirculação (23) e a linha (15) para a calcinadora (3). Referindo-se à figura 4, uma instalação de cimento que incorpora os componentes das figuras 1, 2 e 3 está ilustrada. O combustível do forno passa para o forno (4) ao longo da linha (24). Clínquer produzido no forno (4) passa para o refrigerador de clíquer (25). Gás residual deixa o refrigerador de clíquer (25) ao longo das linhas (26) e (27). A corrente gasosa na linha (27) é dividida em duas correntes. Uma primeira corrente é usada para resfriar gases que deixam o forno (4) ao longo da linha (28). A temperatura do gás quente que passa para o pré-aquecedor (3) é controlada ajustando-se as vazões de gás ao longo das linhas (27) e (28). Uma segunda corrente (29) passa para a linha (2) e é usada para secar matéria-prima no moinho que produz farinha bruta.
A invenção também fornece uma instalação de produção de cimento para operação, ou que está operando, de acordo com o processo da invenção; cimento produzido por uma instalação de produção de cimento de acordo com a invenção, e uma instalação e processo de produção de cimento de acordo com a invenção substancialmente da maneira aqui descrita com referência a uma ou mais das figuras 1 a 4 dos desenhos anexos.
Neste relatório descritivo e reivindicações anexas, a menos que de outra forma especificado: temperaturas são aquelas medidas de uma maneira conhecida durante o processo para produção de cimento, por exemplo, por termopares ou pirometria; e porcentagens de gás são em volume.
O exemplo seguinte ilustra, mas sem limitações, a invenção.
EXEMPLO
Farinha bruta é moída e a farinha moída é então alimentada no
topo do pré-aquecedor (1). O pré-aquecedor compreende uma série de ciclones (7) a (11) e dutos de conexão (12, (13), (14) e (15) (os canais de subida). O pré-aquecedor (1) recebe gás quente do forno. A farinha bruta é aquecida à medida que os gases são resfriados nos canais de subida e os ciclones (7 a 11) capturam a farinha de maneira que ela possa ser alimentada no estágio inferior seguinte.
Os gases que passam pelo pré-aquecedor (1) são do forno (4) apenas. Gases da calcinadora (3) são mantidos em uma corrente separada.
Quando a farinha bruta deixa o estágio inferior do pré- aquecedor (1), ela passa para a calcinadora (3) com uma temperatura de cerca de 750 0C a 800 °C. Neste estágio, o nível de pré-calcinação será menor que cerca de 10 porcento já que a temperatura é mantida abaixo de 800 °C. A medida que os gases deixam o forno (4) a cerca de 1.100 °C, o gás de exaustão mais frio (do resfriador de clínquer) a cerca de 400 0C a 500 0C pode ser adicionado neste ponto antes de o gás ser alimentado no pré-aquecedor (1) a fim de reduzir a temperatura e manter um baixo nível de pré-calcinação. Os gases que deixam o topo do pré-aquecedor (1) têm uma temperatura de cerca de 300 0C e um nível de dióxido de carbono de cerca de 18 porcento em volume. Eles podem ser usados para suplementar a etapa de secagem de matéria-prima, se necessário.
Farinha bruta entra na calcinadora (3) e é dispersa nos gases de entrada que foram recirculados da saída da calcinadora depois do resfriamento parcial, e no oxigênio injetado. Como o objetivo é ter uma alta concentração de dióxido de carbono nos gases residuais, oxigênio é usado para a combustão do combustível da calcinadora, em vez de ar, que contém uma quantidade substancial de nitrogênio. O fluxo de combustível para a calcinadora (3) é controlado para prover uma temperatura de gás de saída constante a fim de manter uma pré-calcinação consistente que é desejável para estabilidade do forno.
O nível de pré-calcinação da farinha bruta é controlado em cerca de 92 % para evitar qualquer aumento de dificuldades na calcinadora (3). A farinha bruta pré-calcinada é coletada depois da calcinadora no ciclone (16) e em seguida passa para o forno (4). E uma vantagem usar um carvão normal que tem baixo teor de nitrogênio para minimizar contaminação dos gases de saída. Depois do ciclone da calcinadora (16), parte dos gases que contêm mais de 90 % em volume de dióxido de carbono são reciclados para a entrada da calcinadora pela linha (15) e o gás remanescente é então resfriado para manuseio à jusante. O resfriamento é conseguido pelo uso de um trocador de calor compreendendo um aquecedor de vapor (18) a fim de ajudar minimizar falsa entrada de ar no processo. Operação do sistema a uma pressão ligeiramente negativa também ajuda a este respeito. Energia elétrica pode ser gerada usando vapor do trocador de calor. Depois do trocador de calor, parte dos gases é reciclada para a entrada da pré-calcinadora para controlar a temperatura no ventilador de recirculação e o resto passa para tratamento à jusante.
A farinha bruta que entra no forno forma clínquer de cimento da maneira normal. O resfriador de clíquer opera de uma maneira conhecida, exceto que a quantidade de gás e a temperatura é ligeiramente maior que o normal, já que nenhum ar terciário do forno (4) é usado para a calcinadora (3). Parte do gás do refrigerador de clínquer (25) pode ser usada para resfriar o gás do forno antes de ele passar para o pré-aquecedor e o restante pode ser usado para secar a matéria-prima.

Claims (11)

1. Processo para a produção de cimento, caracterizado pelo fato de que compreende a calcinação de farinha bruta contendo carbonato de cálcio em uma calcinadora aquecida pela combustão de um combustível contendo carbono com um gás compreendendo oxigênio e de 0 a 80 % em volume de dióxido de carbono, e substancialmente sem nitrogênio, e isolamento do gás produzido pela combustão e calcinação na calcinadora.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a combustão é realizada com um gás compreendendo de 90 100% de oxigênio.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a farinha bruta é introduzida na calcinadora em uma pluralidade de pontos.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o gás suprido é introduzido na calcinadora em uma pluralidade de pontos.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que oxigênio e dióxido de carbono no gás suprido são introduzidos separadamente na calcinadora.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o gás efluente compreende pelo menos 90 % de dióxido de carbono.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o nível de calcinação na calcinadora é controlado em 80 % ou mais em peso, deixando até 20 % de dióxido de carbono residual na farinha.
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a calcinadora é operada a uma baixa pressão de gás de menos de 1 milibar em relação à pressão do gás no forno.
9. Dióxido de carbono, caracterizado pelo fato de que é produzido como gás efluente de uma calcinadora em um processo como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.
10. Instalação de cimento, caracterizada pelo fato de ser para operação, ou operando, de acordo com um processo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
11. Cimento, caracterizado pelo fato de que é produzido por uma instalação de cimento como definida na reivindicação 10.
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