PT108290B

PT108290B - Método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono

Info

Publication number: PT108290B
Application number: PT10829015A
Authority: PT
Inventors: Manuel Correia Salva João; Maria Jesus De Sequeira Serra Nunes Angela
Original assignee: Secil Companhia Geral De Cal E Cimento S A
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2018-12-10
Also published as: DK3070064T3; RS60144B1; PT3070064T; HRP20200320T1; EP3070064A1; CA2923644A1; BR102016005955A2; EP3070064B1; PL3070064T3; HUE048987T2; LT3070064T; SI3070064T1; US20160272540A1; ES2776225T3; CY1124860T1; PT108290A

Abstract

MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM CLINQUER DE BAIXO TEOR DE CARBONO E BAIXO CONSUMO ENERGÉTICO QUE APRESENTA OS SEGUINTES PASSOS: PRÉ-CALCINAÇÃO DOS MATERIAIS CALCÁRIOS PRESENTES NO CRU , AO LONGO DO PRÉ-CALCINADOR E NA TORRE DE CICLONES; ÍNICIO DO PROCESSO DE CLINQUERIZAÇÃO COM A ENTRADA DO CRU APÓS PRÉ-CALCINAÇÃO A UMA TEMPERATURA SUPERIOR A 1400ºC, COM TEORES DE C3S ACIMA DE 60%; ARREFECIMENTO DO MATERIAL, E POR FIM, A INTRODUÇÃO NA FASE DE ARREFECIMENTO, NO CABEÇOTE DO ARREFECEDOR, DE 5 A 30% DE MATERIAIS SILICO-ALUMINOSOS RELATIVA À MASSA DE MATERIAL, QUE AQUI SÃO PROCESSADOS.

Description

MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM CLINQUER DE BAIXO TEOR DE CARBONO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção insere-se no campo dos materiais de construção, nomeadamente na produção de cimentos. Refere-se especificamente à produção de um clinquer, ou seja a produção de cimento numa fase básica de fabrico, e a partir do qual se obtém o cimento Portland. A presente invenção proporciona um desenvolvimento na produção de clinquer relativamente aos processos conhecidos, obtendo-se um clinquer com baixo nível de emissões de gases com efeito estufa, redução do consumo térmico especifico e aumento da resistência química.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Atualmente a produção de clinquer é efetuada em linhas com fornos rotativos onde o aproveitamento térmico é já bastante completo. Porém ainda assim este processo apresenta muitas ineficiências térmicas, por perdas diretas e/ou indiretas.

clinquer produzido nestas linhas é posteriormente sujeito a um processo de moagem onde lhe são adicio nados diversas adições, nomeadamente regularizadores de presa, habitualmente sulfato de cálcio, assim como uma série de adições, tais como materiais pozolânicos naturais e artificiais (pozolanas naturais, cinzas-volantes, cinzas de fumo e argilas calcinadas), escórias de alto-forno ou mesmo somente o filer calcário em proporções que dependem do tipo de cimento que se pretende produzir ou da classe resistência que se pretende obter.

Com vista à redução dos consumos energéticos dos cimentos têm-se optado por tentar, mantendo as performances mecânicas o mais possível, aumentar as incorporações de adições, diminuindo assim o fator de clinquer presente nos cimentos Portland, sendo esta uma via direta para redução dos consumos energéticos específicos e consequentemente redução das emissões de C02 no cimento e no betão com ele produzido. Ao adicionar estes materiais ao nível da moagem o único processo de tratamento de que são alvo é o de aumento da superfície específica, melhorando somente por essa via a sua reatividade, quando a possuem, como é o caso dos materiais pozolânicos e as escórias de alto-forno. Normalmente estes materiais são resíduos ou subprodutos de outras indústrias, salvo o caso das pozolanas naturais, diatomites ou dos materiais argilosos calcinados. Todavia a utilização destes últimos exigem um investimento em fornos dedicados cujo balanço económico final e vantagens da sua utilização vêm, por essa via, muito restringida a sua viabilidade de utilização.

Com vista a tentar reduzir os consumos específicos de produção de clinquer têm surgidos diversas patentes como a US2013118384 Al, a Mx2014001752 ou a SK288177B6 que referme cimentos beliticos que visam essencialmente a modificação da mineralogia, pela alteração da composição química do material cru a cozer e pela redução da temperatura de clinquerização o que leva a que uma das fases mais reativas o C3S seja reduzida em prol da formação de C2S de alta temperatura, muito embora menos reativo o que tem por consequência uma perda importante da reatividade do clinquer condicionando toda a produção da linha para esta modificação mineralógica e cujo impacto na qualidade dos cimentos se reflete sobretudo nas resistências iniciais, geralmente bastante mais baixas do que as correntes (são comuns valores na ordem dos 25 a 30%).

Outra tentativa prende-se com o uso de mineralizadores (ver patente T0094102) que ao baixarem o ponto de fusão, permitem alguma redução da temperatura de clinquerização o que possibilita por essa via baixar o consumo térmico ligeiramente. Infelizmente as quantidades de mineralizadores possíveis de introduzir normalmente permitem baixar não mais do que 100°C e mesmo assim com algumas perdas de reatividade do clinquer e a custos penalizadores para a indústria.

Acrescenta-se que foram considerados os documentos mais relevantes os que a seguir se refere

Processo de fabrico de Cimento, da Requerente o qual divulga o vulgar processo de fabrico de cimento e que faz parte do preâmbulo da reivindicação 1 da presente invenção. Não sendo objectivo da requerente reivindicar este processo. Foi citado ainda o pedido de patente CA2234523 Al, que se diferencia da presente invenção por o processo da presente invenção adotar outros materiais para além das cinzas volantes, processados e não processados (argilas, magras, xistos, escórias, etc.). Este pedido de patente (CA2234523 Al) não dá indicações nem motivações de que outro tipo de materiais possam ser utilizados além das cinzas volantes, não havendo lugar a uma calcinação com reogarnização mineralógica do material, com processamento, mas simplesmente uma secagem.

É mencionado ainda o documento Double-Pump valve onde é divulgada a utilização de uma válvula dupla para a recolha de materiais como cinzas volantes, clinquer e outros materiais especificados nesse documento. Também na presente invenção é utilizada uma válvula deste tipo para o mesmo fim. No entanto, tal como referido anteriormente além desses materiais são recolhidos materiais não processados. Este documento não divulga nem dá motivações para que uma válvula deste tipo podesse ser utilizada noutro tipo de materiais além dos que estão referidos.

Relativamente ao documento Vizcaina Andrés L. et al. Refere-se a um processo tradicional de cozedura, embora em forno clinquer, completamente à parte e com mistura posterior no moinho de cimento.

efeito surpreendente da presente invenção é o ser possível efetuar um co-processamento neste ponto do processo através do aproveitamento das trocas térmicas com o clinquer para um processo de sinterização de material adicional, absolutamente inerte como sejam as argilas ou xistos, que desta forma, simultaneamente, beneficiam o arrefecimento do material, captando energia térmica para o seu reaaranjo mineralógico de forma a potenciar a sua reatividade. A forma agora proposta de sinterização de material suplementar permite uma enorme poupança de energia,evitando investimentos em fornos específicos, como até agora sempre foi feito. Este efeito é conseguido através do passo d) do método reivindicado, i.e. com a introdução (4) na fase de arrefecimento, no cabeçote do arrefecedor, materiais silico-aluminosos relativa, que aqui são processados, através de calcinação de baixa temperatura, com rearranjo da micro-estrutura.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - Corte longitudinal do arrefecedor: Refere-se ao eventual posicionamento da entrada de material silicoaluminoso no arrefecedor.

Figura 2 - Corte longitudinal do arrefecedor: Refere-se ao eventual posicionamento da entrada de material silicoaluminoso de menores necessidades térmicas.

SUMÁRIO

O presente pedido consiste no desenvolvimento de um processo de produção de um clinquer de baixo nível de emissões de gases de efeito de estufa, redução do consumo térmico especifico e aumento da resistência química, baseado numa modificação nos arrefecedores das atuais linhas de produção, constituídas por torres de ciclones e fornos rotativos.

calor libertado no arrefecedor é parcialmente reaproveitado para a combustão através do aproveitamento dos gases quentes que são reintroduzidos ao nível do ar secundário. Contudo boa parte deste calor é perdido pelo próprio material que sofre um abaixamento de temperatura na ordem dos 1000°C nesta fase do processo, na proporção da ineficiência deste equipamento.

clinquer Portland tradicional possuiu na sua composição essencialmente duas fases silicatadas, o sílicato tricálcico(C3S) e o silicato bicálcico (C2S) , sendo o primeiro mais reativo, mas meta-estável o que implica que tenha de sofrer um arrefecimento brusco de forma a permanecer na forma mineralógica pretendida, o que é conseguido através deste tipo de equipamento.

clinquer de baixo carbono seria então obtido por modificação mineralógica no arrefecedor através da introdução de um material silico-aluminoso, estabelecen do-se uma troca térmica importante que permitirá o tratamento térmico deste material e sua homogeneização e recombinação, contribuindo para o aumento da eficácia do arrefecimento do clinquer. 0 tratamento térmico do material silico-aluminoso desta forma introduzido irá produzir uma nova fase constituída maioritariamente por mono silicatos que na presença do hidróxido de cálcio vêm a reagir embora mais lentamente do que as fases habitualmente presentes no clinquer tradicional (C3S e C2S). Assim o produto resultante desta modificação é um clinquer constituído por três fases silicatadas muito resistentes mecanica e quimicamente.

A produção da linha poderá ver assim aumentada a sua capacidade na proporção da introdução de material silico-aluminoso, face à capacidade nominal corrente, reduzindo-se o consumo térmico especifico e as emissões de gases de efeito de estufa na proporção direta da introdução.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA

Esta invenção visa essencialmente a produção de um clinquer bastante reativo, de grande resistência química e com um consumo especifico mais baixo, normalmente na proporção direta do material introduzido na fase final do processo de clinquerização. Consequentemente as emissões de gases de efeito de estufa vêm reduzidas em conformidade. A quantidade de material possível de introduzir será em função de um equilíbrio, muito dependente da tipologia e dimensões da instalação, sua operacionalidade da reatividade final visada para o clinquer assim obtido, sendo necessário efetuar um balanço térmico e analisar a disponibilidade de ventilação da linha para cada caso.

Correntemente nas linhas atuais de fabrico de clinquer portland este processo térmico decorre numa primeira fase com a calcinação dos materiais calcários presentes no cru, normalmente na pré-calcinação e/ou na torre de ciclones. Numa segunda fase o material entra no forno onde irá atingir a temperatura de clinquerização e onde decorrem as principais reações que irão originar a formação dos silicatos tricálcicos e bicálcicos, atingindo o material nesta fase os 1450°C. Posteriormente terá que passar por um arrefecimento brusco já na fase final do forno, no arrefecedor, local onde o clinquer irá perder cerca de 1000°C, de forma a assegurar um arrefecimento eficaz, proporcionando as condições de manutenção do silicato tricálcico formado durante a fase anterior do processo (fase meta-estável com tendência a converter de novo em silicato bicálcico libertando cal livre no caso de um arrefecimento mais lento) o que conduz a uma perda direta de reatividade do produto final, especialmente às idades mais jovens, assim como a uma perda de energia e respetivos custos, sem recuperação possível ao nível da qualidade final.

Os materiais silico-aluminosos, normalmente materiais argilosos, margas argilosas, xistos ou mesmo algumas das adições habitualmente usadas pela indústria, como sejam as cinzas volantes ou outros resíduos, ao sofrerem tratamentos térmicos tornam-se pozolanicamente ativos ou vêm reforçada a sua reatividade.

Dependendo do material normalmente as temperaturas de ativação variam entre os 700°C e 900°C para os materiais naturais silico-aluminosos, como argilas cauliniticas, montemoriloníticas, margas-argilosas ou xistos, até valores entre os 200 e 250°C no caso de alguns materiais já processados como sejam cinzas-volantes ou outros resíduos ou sub-produtos com potencial pozolânicidade.

Efetivamente e mesmo com o aproveitamento dos gases quentes que a maioria das linhas recupera, existe ainda muito calor ao nível dos arrefecedores dos fornos, nomeadamente nos arrefecedores de grelha que é desperdiçado .

A introdução dos materiais silico-aluminosos referidos poderá ser introduzida então nesta fase onde simultaneamente irão favorecer a perda de temperatura do clinquer, promovendo um melhor arrefecimento e simultâneamente, devido a troca térmica realizada, podem beneficiar de um tratamento de calcinação suficiente para a sua ativação, contribuindo para a presença de uma terceira fase silicatada naquele produto á base de mono-silicato, cujo desempenho ao nível da resistência mecânica é importante, especialmente a idades menos jovens, mas destaca-se princi10 palmente pela resistência química.

Este aproveitamento energético resolve, de uma forma inesperada, essencial mente as seguintes questões:

Minimiza as perdas e ineficácias do atual processo, melhorando as condições de arrefecimento;

* Evita uma linha dedicada, com consumo específico superior, para o tratamento daqueles materiais que posteriormente poderiam vir a ser adicionados ao cimento;

* Melhora a moendabilidade do clinquer;

Na fase onde é introduzida facilmente a mesma instalação pode mudar entre o clinquer tradicional ou o de baixo carbono, em função das necessidades específicas da produção, pois não tem a composição de cru com que se habitualmente trabalha não é alterada;

Reduz o atual consumo específico na produção de clinquer e respetivas emissões de CO2, aumentando de forma direta a produção das linhas;

Promove a utilização de resíduos com propriedades pozolânicas latentes, atualmente sem aplicação ou subaproveitados que com este tratamento térmico vêem a sua eficácia aumentada.

A introdução destes materiais depende como referido da geometria e tipologia do arrefecedor e deve ser assegurada, por um transportador doseador, tamponado por dupla válvula de admissão de forma a minimizar perdas de calor e ar falso. As quantidades máximas admitidas deverão ser estabelecidas em função do balanço térmico e da energia disponível, da geometria e da reatividade do clinquer habitualmente produzido na linha em alteração e do material silico-aluminoso selecionado, nomeadamente das suas necessidades térmicas para o tratamento, da sua humidade e granulometria. Efetivamente nos casos em que os teores de C3S são elevados o potencial de incorporação poderá ser superior, pois a perda de reatividade ao nível das resistências do cimento vêm compensadas por esse efeito.

A humidade do material pode ser um fator condicionante da quantidade a incorporar por condicionar o caudal de gases. Nestes casos a secagem prévia do material silico-aluminoso pode melhorar significativamente a rentabilidade .

Objecto da Invenção objecto da presente invenção consiste num método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono e baixo consumo energético que compreende os seguintes passos:

a) Pré-calcinação dos materiais calcários presentes no cru , ao longo do pré-calcinador e na torre de ciclones;

b) Inicio do processo de clinquerização com a entrada do cru após pré-calcinação, a uma temperatura superior a 1400°C e com teores de C3S acima de 60%;

c) Arrefecimento do material;

que compreende ainda

d) Introdução na fase de arrefecimento (4) , no cabeçote do arrefecedor, de 5 a 30% de materiais silicoaluminosos relativa à massa de material, que aqui são processados.

A introdução dos materiais silico-aluminosos referidos nesta fase, favorece simultaneamente a perda de temperatura do clinquer e promovendo um melhor arrefecimento, devido à troca térmica realizada. Estes podem beneficiar de um tratamento de calcinação suficiente para a sua ativação, contribuindo para a presença de uma terceira fase silicatada naquele produto à base de mono-silicato, cujo desempenho ao nível da resistência mecânica é importante, especialmente a idades menos jovens, mas destaca-se principalmente pela resistência química.

O efeito surpreendente da presente invenção é o ser possível efetuar um co-processamento neste ponto do processo, através do aproveitamento das trocas térmicas com o clinquer, para um processo de sinterização de material adicional, absolutamente inerte como sejam as argilas ou xistos, que desta forma, simultaneamente, beneficiam o arrefecimento do mesmo, captando energia térmica para o seu reaaranjo mineralógico de forma a potenciar a sua reatividade. A forma agora proposta de sinterização de material suplementar permite uma enorme poupança de energia, evitando investimentos em fornos específicos, como até agora sempre foi feito, permitindo uma enorme poupança de energia e evitando investimentos em fornos específicos. Este efeito é conseguido através do passo d) do método reivindicado, i.e. com a introdução na fase de arrefecimento (4) , no cabeçote do arrefecedor , materiais silico-aluminosos, que aqui são processados, através de calcinação de baixa temperatura, com rearranjo da microestrutura.

Preferencialmente, a introdução dos materiais silicio-alunimosos é realizada por um transportador doseador e tamponado por dupla válvula.

Numa forma de realização preferida, os materiais silico-aluminosos são escolhidos entre escórias de alto-forno, argilosos, margas argilosas, xistos.

Numa outra forma de realização preferida os materiais argilosos utilizados apresentam um potencial de formação de sílica reativa superior a 25%.

Habitualmente os materiais silico-aluminosos podem ainda ser escolhidos entre pozolanas naturais, diatomites e materiais processados como as pozolanas artificiais provenientes de residuos ou subprodutos de outras indústrias, como as cinzas-volantes, cinzas de fundo, fumos de silica ou outros subprodutos.

As temperaturas de activação dos materiais processados estão entre 200°C e 250°C, e as temperaturas de activação dos materiais silico-aluminosos naturais estão entre 700°C e 900°C.

EXEMPLOS

Exemplo 1 - Clinquer de baixo teor carbono com recurso a argilas calcinadas

Numa linha tradicional, estando a produção otimizada para a maximização da qualidade do clinquer produzido, isto é preferencialmente uma farinha que permita a obtenção de teores de C3S no clinquer acima de 60%, será possivel introduzir ao nivel do arrefecedor de cerca de 15% a 20% de argilas caulíniticas cujo tratamento térmico requer temperaturas na ordem dos 800°C, previamente determinado por uma análise térmica gravimétrica e ATD.

Avaliadas as caracteristicas dos materiais a incorporar o doseamento processa-se no cabeçote do arrefe cedor, conforme figura 1. O clinquer assim formado vê o seu consumo especifico de energia térmica baixar em cerca de pelo menos 15%.

A composição mineralógica sofre uma alteração na introdução de mono-silicatos que se vêm a formar nesta fase. Na análise química denota-se um aumento do teor de sílica e um abaixamento dos teores de óxido de cálcio. A reatividade não sofre alterações significativas denotando-se uma perda ao nível da resistência a 1 dia inferior a 5%, sendo a 28 dias da ordem dos 98% do clinquer sem modificação. 0 controlo de processo segue as regras habituais através da FRx e DRX.

	SiO₂	AI₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	: Na₂O eq Í (D i	Cl	SO₃	Cal Livre	Perda ao Fogo	Resíduo Insolúvel
Clinquer Portland típico	21,28	4,80	3,50	65,20	1,98	0,80	0,06	1,83	1,60	1,90	1,22
Clinquer Portland Baixo CO2 i	27,63	11,17	3,01	52,65	1,63	0,97	0,05	1,52	1,29	1,99	14,76

Exemplo 2 - Clinquer de baixo teor carbono com recurso a cinzas de fundo ou cinzas volantes com teores de inqueimados elevados (12%).

Introdução no arrefecedor de cerca de 18% a 20% de cinzas de fundo ou cinzas volantes com teores de não queimados elevados cujo tratamento térmico requer temperaturas da ordem dos 200°C, previamente determinado por uma análise térmica gravimétrica e ATD.

Avaliadas as caracteristicas do material o doseamento processa-se no arrefecedor tipo grelha, conforme figura 2. 0 clinquer assim formado vê o seu consumo especifico de energia térmica baixar em cerca de 18% para esta situação, função do teor de humidade do material.

A composição mineralógica sofre uma alteração ao nível da introdução de mono-silicatos que se vêm a formar nesta fase. A reatividade não sofre alterações significativas denotando-se uma perda ao inferior a 7%, sendo a 28 clinquer sem modificação.

controlo de preconizado habitualmente a nível da resistência a 1 dia dias da ordem dos 95 a 98% do processo decorre conforme o .ravés de análise de FRX e DRX.

		ÂkQj	Fe₃G₃	<.3O	MgLí	NSjO eq	α	SO₃	Caí Livre	Perda: sa Fogo
CUriçusF ^úrtisnd tipjco	21,28	4,39	3,50	55.,20	1,98	3.S^:u	0,05	1,83	1,50	1,90
C^nquet’ Se ix© CO3	34 28	6,19	7,54	54,55	1,70	L13	G,G5	1,74	1.31	1,88

Lista de referências das figuras

- Ligação Forno;

- Transportador de saída;

- Grelha de arrefecimento;

- Introdução na fase de arrefecimento;

- Conduta de extracção;

- Ar residual;

- Ar secundário;

- Britador de martelos; e

- Queimador.

Como será evidente a um perito da arte, é possível, várias alterações de pormenor, as quais, contudo devem ser incluídas no âmbito da presente invenção.

A presente invenção deve apenas ser limitada pelo espirito das reivindicações que se seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono e baixo consumo energético que compreende os seguintes passos:

a) Pré-calcinação dos materiais calcários presentes no cru , ao longo do pré-calcinador e na torre de ciclones;

b) Inicio do processo de clinquerização com a entrada do cru após pré-calcinação, a uma temperatura superior a 1400°C e com teores de C3S acima de 60%;

c) Arrefecimento do material;

caracterizado por compreender ainda

d) introdução na fase de arrefecimento (4), por um transportador doseador e tamponado de dupla válvula, no

cabeçote do arrefecedor, de 5 a 30% de materiais silico- aluminosos relativa à massa de material, que aqui é processado. 2 . Método de produção de um clinquer de baixo

teor de carbono de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os materiais silico-aluminosos serem escolhidos entre escórias de altoforno, argilosos, margas argilosas, xistos.
3. Método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono de acordo a reivindicação 1 caracterizado por os materiais silico-aluminosos serem escolhidos entre pozolanas naturais, diatomites e materiais processados como as pozolanas artificiais provenientes de resíduos ou subprodutos de outras indústrias, como as cinzas-volantes, cinzas de fundo, fumos de sílica ou outros subprodutos.
4. Método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono de acordo com as reivindicações 1 caracterizado por as temperaturas de activação dos materiais processados serem entre 200°C e 250°C.
5. Método de produção de um clinquer de baixo teor de carbono de acordo com as reivindicações 1 e 3 caracterizado por as temperaturas de activação dos materiais silico-aluminosos serem entre 700°C e 900°C.