PT1678097E - Método e instalação para pre-aquecimento de material particulado ou pulverulento - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E INSTALAÇÃO PARA PRÉ-AQUECIMENTO DE MATERIAL PARTICULADO OU PULVERULENTO" A presente invenção refere-se a um método para pré-aquecimento de material particulado ou pulverulento, tal como farinha crua de cimento ou material semelhante, num pré-aquecedor de ciclone compreendendo, pelo menos, duas fases de ciclone, compreendendo, cada uma, um tubo de ascensão e um ciclone. A invenção também se refere a uma instalação para efectuar o método.

Na indústria de cimento é prática habitual utilizar um denominado pré-aquecedor de ciclone para o pré-aquecimento da farinha crua de cimento antes da esta ser cozida num forno para obter clinquer de cimento que é, subsequentemente, arrefecido num dispositivo de arrefecimento de clinquer. Tipicamente, é utilizado um pré-aquecedor de ciclone compreendendo quatro a seis fases de ciclone. A farinha crua é introduzida na primeira fase de ciclone e aquecida, por contacto directo com gases de escape quentes provenientes do forno, de acordo com o principio de fluxo de contracorrente.

Os aquecedores deste tipo são geralmente conhecidos da literatura de patentes e proporciona-se um exemplo no documento EP 0455301. Os materiais crus que são utilizados no processo de fabrico de cimento contêm, frequentemente, sulfuretos, por exemplo na forma de pirites (FeS2) que, durante o processo de aquecimento no pré-aquecedor, irão reagir com oxigénio para formarem S02 que é arrastado no caudal de gás de escape descarregado do pré-aquecedor. O S02 é formado por oxidação parcial de, por exemplo, FeS2 principalmente dentro da gama de temperaturas de 300 a 550 °C. Numa instalação tradicional de fabrico de cimento, compreendendo um pré-aquecedor com cinco 1 fases de ciclone, a formação de SO2 de materiais crus contendo sulfureto irá ocorrer, tipicamente, na segunda fase de ciclone que, neste contexto, é definida como compreendendo o tubo de descarga para gases de escape provenientes do terceiro ciclone e do segundo ciclone nos quais os materiais crus são, tipicamente, aquecidos desde uma temperatura entre 300 e 350°C até uma temperatura de cerca de 500°C.

Do documento EP 1200176 é conhecido um método por meio do qual é introduzida farinha crua calcinada nos gases de escape numa localização, observada na direcção do percurso dos gases de escape, imediatamente após o S02 ter sido formado. Em principio, este conhecido método cumpre satisfatoriamente, mas a sua desvantagem principal prende-se com o facto de ele envolver custos de capital relativamente substanciais para equipamento de processamento adicional e despesas de funcionamento adicionais, principalmente para a energia.

Além disso, do documento AT 390249 é conhecido um método, bem como uma instalação, por meio dos quais uma parte, ou a totalidade, da farinha crua é introduzida numa zona com uma temperatura superior e, por este motivo, melhorada a capacidade de ligação para o S02, ou em que é feito um ajuste da temperatura na área sobrejacente, com uma temperatura inferior, que é alimentada com gases de escape contendo S02 por meio de gás quente proveniente de uma área mais quente do sistema de forno. A desvantagem desta tecnologia conhecida é que ela conduzirá, inevitavelmente, a uma temperatura elevada dos gases de escape que saem do pré-aquecedor, implicando por este motivo, um aumento de consumo de energia. O objectivo da presente invenção é proporcionar um método bem como uma instalação, para pré-aquecimento de material particulado ou pulverulento, por meio dos quais as desvantagens mencionadas anteriormente serão reduzidas.

Este objectivo é alcançado por meio de um método do tipo mencionado na introdução e sendo caracterizado por uma parte 2 do material que alimenta, pelo menos, uma fase de ciclone ser introduzida na primeira parte do tubo de ascensão, observado na direcção do percurso dos gases de escape, e ser aquecida desde uma temperatura de, no máximo, 450°C até uma temperatura de, pelo menos, 550°C, e por o material restante que alimenta a mesma fase de ciclone, ser introduzido na última parte do referido tubo de ascensão.

Em resultado, existirá uma redução na quantidade de SO2 que é descarregada do pré-aquecedor de instalação de cimento como emissão, sem um aumento simultâneo no consumo de energia. Isto é devido ao facto de, por introdução de apenas uma parte do material na primeira secção do tubo de ascensão ser proporcionada uma zona quente com um excedente de calor suficiente para permitir que o S02 formado reaja com o CaO e CaC03, que ocorrem naturalmente na farinha crua, para formar, respectivamente, CaSCú e CaSC>3 bem como C02, e ao facto do material restante ser, depois introduzido, de forma a que a temperatura de descarga da fase de ciclone especifica seja reduzida para um nivel equivalente ao que se aplica se 0 pré-aquecedor fosse accionado de maneira tradicional. Os estudos conduzidos pelo requerente que submete o presente pedido de patente mostraram, deste modo, um aumento significativo no grau de absorção de S02 em CaO e CaC03 a temperaturas acima de 550 °C, e que, essencialmente, todo o S02 que é formado por oxidação dos sulfuretos nos materiais crus pode, por esse motivo, ser absorvido pelo CaO e CaC03 de materiais crus se a temperatura da suspensão de gases de escape/farinha crua subir até um nivel de, no mínimo, 550 °C antes da separação dos gases de escape e dos materiais crus no ciclone de pré-aquecedor subsequente. A formação de S02 em função da temperatura depende, em larga medida, da composição da farinha crua de cimento. No prática actual, a análise da farinha crua constituirá o fundamento para determinar a temperatura inicial mais rentável 3 da farinha crua, que deve ser aquecida a pelo menos 550°C num e no mesmo passo de processo dentro de uma fase única de ciclone. 0 grau de absorção ou a capacidade do CaO e CaC03 absorverem SO2 em função do tempo também depende da temperatura. 0 tempo de retenção dos gases de escape bem como da farinha crua, no passo de processo especifico, será deste modo, o determinante principal da temperatura mínima à qual a farinha crua deve ser aquecida. Tipicamente, a temperatura inicial óptima estará no intervalo de 300 e 450°C, enquanto que a temperatura à qual a farinha crua deve ser aquecida no passo de processo irá variar, tipicamente, entre 550 e 700°C.

Geralmente, toda a farinha crua que é descarregada da fase de ciclone precedente, a uma temperatura de, no máximo 450°C, pode ser aquecida até uma temperatura de, no mínimo 550°C dentro de uma fase de ciclone. Num pré-aquecedor de ciclone típico compreendendo cinco fases de ciclone, a temperatura dos gases de escape que flúem desde a terceira fase de ciclone até à segunda fase de ciclone estará a um nível de cerca de 700°C, e assim, tipicamente, não irá conter a quantidade suficiente de energia para aquecer a totalidade da farinha crua desde, no máximo 450°C até pelo menos 550°C. Para isto ser obtido, os gases de escape provenientes do forno, ou de outra zona de temperatura elevada, podem ser introduzidos na fase de ciclone específica, ou pode ser obtido com base em combustão na fase de ciclone. Contudo, como previamente observado ambas as soluções aumentarão a temperatura dos gases de escape que saem do pré-aquecedor, afectando assim, de modo adverso a economia de calor.

Em alternativa prefere-se que apenas uma parte da farinha crua seja submetida ao aquecimento desde, no máximo 450°C até, no mínimo 550°C num passo de processo único. Mais especificamente, prefere-se que a quantidade de farinha crua que é submetida ao aquecimento desde, no máximo 450°C até, no mínimo 550°C, num passo de processo único, esteja adaptada de 4 acordo com a temperatura e volume dos gases de escape que flúem desde a terceira fase de ciclone até à segunda fase de ciclone. Isto pode ser obtido dividindo o caudal de farinha crua. Numa primeira forma de realização preferida da invenção, a farinha crua que é descarregada do primeiro ciclone pode ser dividida em, pelo menos, dois subcaudais, dos quais um é dirigido de maneira normal para e introduzido no tubo de ascensão da segunda fase de ciclone, por cima da saida de gás de escape no terceiro ciclone, enquanto que o segundo caudal é introduzido neste tubo de ascensão numa localização imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone.

Numa segunda forma de realização alternativa, a farinha crua que alimenta o pré-aquecedor de ciclone pode ser dividida em, pelo menos, dois subcaudais, dos quais um também é pré-aquecido, de maneira normal, na primeira fase de ciclone e é, subsequentemente, dirigido para e introduzido no tubo de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente por cima da saida de gás de escape no terceiro ciclone, enquanto que o segundo subcaudal contorna a primeira fase de ciclone e é introduzido no tubo de ascensão da segunda fase de ciclone numa localização imediatamente anterior à admissão de gás no segundo ciclone. Nesta forma de realização o consumo de calor pode ser um pouco superior quando comparado com o da forma de realização preferida.

Na segunda fase de ciclone ambas as formas de realização proporcionarão uma primeira zona, com uma temperatura relativamente elevada, na qual a formação e absorção de SO2 pode ocorrer, e uma segunda zona na qual a parte restante da farinha crua pode ser pré-aquecida de forma a que a temperatura diminua para um nivel normal. Deste modo será possível remover uma quantidade significativa do SO2 que é formado, em resultado do teor de sulfureto na farinha crua, sem aumentar a temperatura dos gases de escape e, por este motivo, o consumo de calor. As formas de realização e outras 5 combinações que não as descritas anteriormente, são concebíveis e devem ser consideradas como estando abrangidas pelo presente pedido de patente.

Como mencionado anteriormente, o tempo de retenção dos gases de escape bem como da farinha crua, a uma dada temperatura no passo de processo especifico, será um factor de determinação da capacidade do CaO e CaC03 existentes para absorver o SO2 neste espaço de tempo. Num pré-aquecedor de ciclone tradicionalmente configurado, o tempo de retenção dos gases de escape, por exemplo na segunda fase de ciclone, será relativamente pequeno, frequentemente entre 0,5 - 1 segundo, enquanto que o tempo de retenção da farinha crua será, habitualmente, um pouco maior, frequentemente cerca de 10 segundos, em média. Sendo o objectivo especifico aumentar o tempo de retenção para a suspensão da farinha crua e gases de escape, no passo de processo em que a farinha crua é aquecida desde, no máximo 450°C até, no minimo, 550°C, assegurando desse modo, uma mistura suficientemente boa para que as reacções químicas desejadas ocorram, o tubo de ascensão ou o tubo que liga o passo de processo subsequente ao ciclone, no passo de processo específico, pode ser aumentado e formado, por exemplo, como um pescoço de cisne compreendendo uma primeira secção dirigida para cima, uma curvatura e uma segunda secção dirigida para baixo que está ligada ao ciclone do passo de processo. Numa segunda forma de realização, o diâmetro do tubo de ascensão ou do tubo pode ser aumentado ao longo de, pelo menos, uma parte da sua extensão. A instalação para efectuar o método de acordo com a invenção é do tipo que compreende um pré-aquecedor de ciclone com, pelo menos, duas fases, compreendendo, cada uma, um tubo de ascensão e um ciclone e sendo ainda caracterizada como definido na reivindicação 5.

Outras características da instalação de acordo com a invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição pormeno- 6 rizada, das reivindicações da patente e dos desenhos subsequentes. A invenção será, de seguida, descrita com mais pormenores fazendo referência aos desenhos, que são diagramáticos e em que: A Fig. 1 mostra uma primeira forma de realização preferida de uma instalação de acordo com a invenção, A Fig. 2 mostra uma segunda forma de realização alternativa de uma instalação de acordo com a invenção, A Fig. 3 mostra um pormenor da forma de realização mostrada na Fig. 1, A Fig. 4 mostra um pormenor da forma de realização mostrada na Fig. 2, e A Fig. 5 mostra uma forma de realização alternativa do pormenor mostrado na Fig. 3.

As Fig. 1 e 2 mostram dois exemplos aproximadamente idênticos de instalações de forno para o fabrico de clínquer de cimento. Ambas as instalações de forno mostradas são do tipo ILC, mas a invenção também pode ser utilizada em associação com instalações do tipo SLC ou com quaisquer outras instalações que sejam uma combinação de tais instalações.

Cada uma das instalações mostradas compreende um pré-aquecedor 1 de ciclone com quatro ciclones la, lb, lc e ld, em que la é o primeiro ciclone, lb é o segundo ciclone, lc é o terceiro ou penúltimo ciclone e ld é o quarto e último ciclone. Os ciclones são ligados em série e abastecidos com suspensão de gás/farinha crua por meio de tubos de ascensão ou tubos 2a, 2b, 2c e 2d de gás. Deste modo, as instalações 7 compreendem quatro fases de ciclone em que a primeira fase de ciclone é constituída pelo tubo 2a de ascensão e pelo ciclone la, a segunda fase de ciclone é constituída pelo tubo 2b de ascensão e pelo ciclone lb, a terceira fase de ciclone é constituída pelo tubo 2c de ascensão e pelo ciclone lc e a quarta fase de ciclone é constituída pelo tubo 2d de ascensão e pelo ciclone ld.

As instalações também incorporam um forno 3 de calcinação que compreende uma abertura 9 para a introdução de farinha crua pré-aquecida a partir do último ciclone ld por meio da sua saída 6 de material, e estando ligado a um ciclone 4 de separação, a um forno 5 giratório e a um dispositivo 7 de arrefecimento de clínquer. As instalações também compreendem um tubo 10 de ascensão de forno para dirigir os gases de escape de forno para o forno 3 de calcinação, e um tubo 11 para dirigir ar pré-aquecido desde o dispositivo 7 de arrefecimento de clínquer até ao forno 3 de calcinação. A farinha crua proveniente de um moinho de farinha crua, não mostrado, é encaminhada para o pré-aquecedor 1, por meio de um tubo 13, e é pré-aquecida no pré-aquecedor em contracorrente aos gases de escape e é, subsequentemente, descarregada do pré-aquecedor no ciclone ld e dirigida para o forno 3 de calcinação no qual sofre calcinação. Da saída de fundo do ciclone 4 de separação a farinha crua calcinada é, subsequentemente, encaminhada, por meio de um tubo 8, para o forno 5 giratório no qual é queimada formando clínquer de cimento que é, subsequentemente, arrefecido no dispositivo 7 de arrefecimento de clínquer. Os gases de escape provenientes do forno 5 giratório e do forno 3 de calcinação são extraídos do forno 3 de calcinação através do ciclone 4 e, para cima, através do pré-aquecedor por meio de uma ventoinha 14 mostrada de modo esquemático.

De acordo com a invenção, uma parte da farinha crua que é dirigida para o tubo 2b de ascensão, da segunda fase de 8 ciclone, é aquecida desde uma temperatura de, no máximo 450°C até uma temperatura de, no minimo 550°C, enquanto que o material restante é, subsequentemente, introduzido na última parte do referido tubo de ascensão, de forma a que a quantidade de S02 que reage com o CaO e CaC03, que ocorrem naturalmente na farinha crua para a formação de CaSCh e CaS03, respectivamente, aumente, reduzindo, desse modo, a quantidade de S02 que é descarregada do pré-aquecedor da instalação de cimento na forma de emissão.

Na prática actual prefere-se que a quantidade de farinha crua que é submetida ao aquecimento desde, no máximo 450°C até, no mínimo 550°C num passo de processo seja ajustada em relação à temperatura e volume dos gases de escape que flúem desde a terceira fase de ciclone até à segunda fase de ciclone. Isto pode ser obtido dividindo o caudal de farinha crua, como é evidente a partir das formas de realização mostradas nas Figs. 1 e 2.

Na primeira forma de realização preferida, mostrada na Fig. 1, a farinha crua descarregada do primeiro ciclone la é dividida em, pelo menos, dois subcaudais, por meio de uma porta 15 separadora ou um mecanismo semelhante, dos quais um subcaudal é dirigido de maneira normal para e introduzido na primeira parte do tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente por cima da saída de gás de escape, no terceiro ciclone lc, por meio de um tubo 15a, enquanto que o segundo subcaudal é introduzido por meio de um tubo 15b na última parte do tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone lb.

Na segunda forma de realização alternativa, mostrada na Fig. 2 a farinha crua que alimenta o pré-aquecedor 1 de ciclone é dividida em, pelo menos, dois subcaudais por meio de uma porta 16 separadora ou um mecanismo semelhante, dos quais um subcaudal é introduzido de maneira normal, por meio de um 9 tubo 16a e pré-aquecido no tubo 2a de ascensão da primeira fase de ciclone, e depois, por meio do primeiro ciclone la dirigido para e introduzido na primeira parte do tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente por cima da saída de gás de escape, no terceiro ciclone lc, enquanto que o segundo subcaudal contorna, por meio de um tubo 16b a primeira fase 2a, la de ciclone e é introduzido no tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone lb.

Por meio de ambas as formas de realização descritas de acordo com a invenção, será possível obter uma primeira zona com uma temperatura relativamente elevada na parte inferior do tubo 2b de ascensão, em cuja zona a formação e absorção de S02 pode ocorrer, e outra zona na qual a parte restante da farinha crua é pré-aquecida de forma a que a temperatura seja reduzida para um nível normal.

Nalgumas instalações de forno existentes para o fabrico de clínquer de cimento, a primeira fase de ciclone compreende dois denominados ciclones duplos. Em tais casos seria óbvio utilizar a divisão da farinha crua, que ocorre entre os ciclones duplos. Deste modo, a farinha crua proveniente de um dos ciclones duplos pode ser dirigida e introduzida na primeira parte do tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente por cima da saída de gás de escape, no terceiro ciclone lc, por meio de um tubo 15a, enquanto que a farinha crua proveniente do segundo ciclone duplo pode ser introduzida na última parte do tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone lb. 0 segundo ciclone duplo pode ser vantajosamente colocado numa localização superior, de forma a que a farinha crua proveniente deste ciclone possa ser introduzida no tubo 2b de ascensão, também numa localização superior. 10

As formas de realização e outras combinações que não as descritas anteriormente são concebíveis e devem ser consideradas como estando abrangidas pelo presente pedido de patente.

As Fig. 3 e 4 mostram como o tubo de ascensão ou o tubo 2b podem, por exemplo, ser configurados como um pescoço de cisne compreendendo uma primeira secção dirigida para cima, uma curvatura e uma segunda secção dirigida para baixo que está ligada ao ciclone lb, sendo o objectivo aumentar o tempo de retenção da suspensão de farinha crua e gases de escape no tubo 2b de ascensão da segunda fase de ciclone. Por este motivo será possível optimizar o tempo de retenção para os gases de escape bem como para a farinha crua na zona quente com vista a obter os processos químicos desejados. Tipicamente, prefere-se que o tubo 2b de ascensão seja configurado de um modo tal que o tempo de retenção seja alargado por um factor entre 3 e 5. A Fig. 5 mostra como o tempo de permanência na zona de redução de S02 de temperatura elevada pode ser aumentado sem se aumentar significativamente a altura total de construção da torre 1 de pré-aquecedor. Na forma de realização mostrada, o tubo 2b de ascensão estende-se para cima, para baixo e de novo para cima. Uma parte do material proveniente do ciclone la é introduzida no tubo 2b de ascensão, imediatamente após o ciclone lc, enquanto que a parte restante do material proveniente de la é introduzida após a parte de curvatura em U de 2b. Algum do material suspenso no tubo 2b de ascensão irá, inevitavelmente, separar-se no fundo da curvatura em U do tubo 2b de ascensão. Contudo, este material pode ser simplesmente introduzido no tubo 2c de ascensão, como mostrado na figura. Simulações térmicas revelaram que o consumo total de energia por massa de clínquer produzido irá diminuir devido a esta separação adicional no tubo 2b de ascensão. 11 A presente invenção não está limitada às formas de realização mostradas, que são utilizadas apenas como exemplo, permitindo, deste modo, a configuração de numerosas combinações de formas de realização alternativas às formas de realização mostradas que se encontram na estrutura da presente invenção.

Lisboa, 15 de Outubro de 2007 12

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Método para pré-aquecimento de material particulado ou pulverulento, tal como farinha crua de cimento ou material semelhante, num pré-aquecedor (1) de ciclone compreendendo, pelo menos, duas fases de ciclone, compreendendo, cada uma, um tubo (2a, 2b, 2c, 2d) de ascensão e um ciclone (la, lb, lc, ld), caracterizado por uma parte do material, que alimenta pelo menos uma fase de ciclone, ser introduzida na primeira parte do tubo de ascensão, observado na direcção do percurso dos gases de escape, e ser aquecida desde uma temperatura de, no máximo 450°C até uma temperatura de, pelo menos 550°C, e por o material restante, que alimenta a mesma fase de ciclone, ser introduzido na última parte do referido tubo de ascensão.
2. 2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a parte do material, que é introduzida na primeira parte do referido tubo de ascensão, ser aquecida desde uma temperatura entre 300 e 450°C até uma temperatura entre 550 e 700°C, antes do material restante ser introduzido na última parte do referido tubo de ascensão.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o material que é descarregado do primeiro ciclone (la) ser dividido em, pelo menos, dois subcaudais, dos quais um subcaudal é dirigido e introduzido, por meio de um tubo (15a), no tubo (2b) de ascensão imediatamente por cima da saída de gás de escape no terceiro ciclone (lc), enquanto que o segundo subcaudal é introduzido, por meio de um tubo (15b), no tubo (2b) de ascensão numa localização imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone (lb). 1
4. 4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o material que alimenta o pré-aquecedor (1) de ciclone ser dividido em, pelo menos, dois subcaudais, dos quais um sub-caudal é introduzido, por meio de um tubo (16a), e pré-aquecido no primeiro tubo (2a) de ascensão, e depois é dirigido e introduzido, por meio do ciclone (la), no tubo (2b) de ascensão imediatamente por cima da saida de gás de escape no terceiro ciclone (1c), enquanto que o segundo subcaudal contorna, por meio de um tubo (16b), a primeira fase de ciclone e é introduzido no segundo tubo (2b) de ascensão imediatamente em frente da admissão de gás no segundo ciclone (lb).
5. 5. Instalação para efectuar o método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, cuja instalação é do tipo que compreende um pré-aquecedor (1) de ciclone com, pelo menos, duas fases de ciclone, compreendendo, cada uma, um tubo (2a, 2b, 2c, 2d) de ascensão e um ciclone (la, lb, lc, ld), caracterizada por compreender meios para a introdução de uma parte do material, que alimenta, pelo menos, uma fase de ciclone, na primeira parte do tubo de ascensão, observado na direcção do percurso dos gases de escape, para aquecer a referida parte desde uma temperatura de, no máximo 450 °C até uma temperatura de, pelo menos 550 °C, e meios para a introdução do material restante que alimenta a mesma fase de ciclone na última parte do referido tubo de ascensão.
6. 6. Instalação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por os meios compreenderem portas (15, 16) separadoras.
7. 7. Instalação de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada por o tubo (2b) ser configurado como um 2 pescoço de cisne, compreendendo uma primeira secção dirigida para cima, uma curvatura e uma segunda secção dirigida para baixo que está ligada ao ciclone (lb).
8. 8. Instalação de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada por o tubo (2b) ser configurado com um diâmetro aumentado ao longo de, pelo menos, uma parte da sua extensão. Lisboa, 15 de Outubro de 2007 3