Caracterização e modelação de um forno de produção de calAos meus amigos do IST que me...

Caracterização e modelação de um forno de produção

de cal

João Emanuel Viegas Agostinho

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Viriato Sérgio de Almeida Semião

Júri

Presidente: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa

Orientador: Prof. Viriato Sérgio de Almeida Semião

Vogal: Prof. António Luís Nobre Moreira

Novembro 2015

ii

Agradecimentos

Gostaria de agradecer a todas as pessoas que tiveram um papel importante na realização desta

dissertação.

Em primeiro lugar, prestar uma grande homenagem e expressar o meu agradecimento ao Professor

João Toste de Azevedo, inicialmente o meu orientador, por me ter dado a oportunidade de trabalhar

neste tema e nesta área, e pela sua ajuda e enorme disponibilidade no arranque dos estágios do

programa GALP 20-20-20.

Ao Professor Viriato Semião, orientador desta dissertação, por todo o tempo dispensado na discussão

de ideias previamente desenvolvidas pelo Professor Toste de Azevedo, pelo apoio incansável no

esclarecimento de dúvidas mesmo em horário pós-laboral e pela orientação na realização deste

trabalho.

À Lusical, pela oportunidade de me integrar no meio industrial, pela forma como me acolheu durante

6 meses e por todo o apoio ao longo do estágio.

Aos meus pais, por toda a educação e constante apoio ao longo da elaboração desta dissertação.

À minha namorada pelo incansável apoio ao longo destes anos.

Aos meus amigos do IST que me acompanharam em todo o percurso académico, pelos momentos

inesquecíveis de estudo e de diversão.

À empresa onde me encontro a trabalhar de momento, EFACEC, por me conceder muitas horas

durante a elaboração desta dissertação.

Estendo ainda um agradecimento muito especial a todos os meus amigos fora do IST, por todos os

momentos de convívio, memórias e experiências de vida que tiveram influência no decorrer deste

trabalho.

iii

Resumo

O aumento na procura de energia, devido ao ritmo acelerado do desenvolvimento industrial e do

aumento do nível de vida de uma população global a crescer progressivamente, apresenta vários

problemas, entre os quais a escassez de recursos naturais, incluindo os combustíveis fósseis, que

pode restringir a quantidade de energia disponível e contribuir para um aumento da poluição que

tanto afecta uma boa parte da população no mundo.

As indústrias, nas mais variadas áreas, são as principais responsáveis pelo excessivo consumo

energético no planeta, tornando-se cada vez mais importante um olhar mais consciente para a

poupança desses mesmos recursos de forma a garantir uma melhor qualidade de vida para a

população no futuro.

O programa GALP 20-20-20 vai ao encontro dessa visão consciente e incentiva alunos de algumas

faculdades do país a elaborar um trabalho de 6 meses numa empresa visando analisar todos os seus

gastos energéticos e respectivos custos financeiros. Esta dissertação foi realizada com base num

desses estágios, na fábrica da Lusical, onde foram analisados fornos de produção de cal com o

objectivo de tentar melhorar a sua eficiência devido aos elevados consumos de gás natural. Foram

desenvolvidos dois modelos descritivos dos fenómenos de transferência de calor, o primeiro relativo

aos gases de combustão e o segundo referente às pedras de calcário/cal.

Os resultados obtidos foram indicativos, na medida em que fornecem informação acerca do processo

de calcinação, nomeadamente sobre os perfis de temperatura, e preditivos, na medida em que

tornam possível prever o comportamento, tanto do material gasoso como do material sólido, fazendo

variar alguns parâmetros relacionados com o escoamento.

Palavras-chave : Consumo energético, fornos de produção de cal, gás natural, modelos descritivos,

calcinação

iv

Abstract

Energy demand has increased very rapidly because of a huge industrial development and due to a

progressive population growth, which will end up in a very delicate situation for the planet earth in

terms of lack of natural resources, including fossil fuels, energy available and pollution which affects a

significant percentage of people on earth.

Industries are the great responsible for the abusive energy consumption in the world, and people have

become more conscientious of the need to preserve those natural resources in order to assure a

better quality of life in the future.

GALP 20-20-20 program supports these ideas, and consists in a 6 months scholarship for college

students who, working together with a company, have the purpose to make an energy consumption

analysis. This work was initially developed as a part of this program, in a company named Lusical with

the purpose to make lime kilns more efficient in order to save some natural gas provided to

combustion. Further, were created 2 description models of the process of heat transfer inside the kilns,

one referring to the combustion gases and the second one referring to lime stones.

The given results from these models are informative in one hand, because they give information about

calcination process like temperatures behavior, and in the other hand they are predictive because they

are useful to study the process when we change some flow/material parameters/values.

Keywords: Energy consumption, lime kilns, natural gas, description models, calcination

v

Índice

Agradecimentos ........................................................................................................................................ ii

Resumo ................................................................................................................................................... iii

Abstract.................................................................................................................................................... iv

Lista de Figuras ...................................................................................................................................... vii

Lista de Tabelas ........................................................................................................................................x

Lista de Símbolos .................................................................................................................................... xi

1. Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1. Motivação e âmbito do trabalho ............................................................................................ 1

1.2. Enquadramento do trabalho .................................................................................................. 1

1.2.1. Processo de fabrico de cal ....................................................................................... 2

1.3. Contribuição da tese .............................................................................................................. 3

1.4. Estrutura da dissertação ........................................................................................................ 3

2. Caracterização da empresa e do processo produtivo ..................................................................... 4

2.1. Índices energéticos da Lusical .............................................................................................. 6

2.2. Balanços de massa e de energia aos fornos ........................................................................ 8

2.3. Resultados dos balanços de energia .................................................................................. 12

2.4. Dados experimentais dos fornos ......................................................................................... 17

2.5. Produtividade e consumo energético da secção de hidratação de cal – Sugestão de

melhoria ......................................................................................................................................... 19

2.6. Breve síntese de possíveis melhorias energéticas ............................................................. 22

3. Modelação do processo de transferência de calor nos fornos de produção de cal ...................... 24

3.1. Modelo para a fase gasosa ................................................................................................. 24

3.2. Modelo para as esferas de calcário .................................................................................... 28

4. Apresentação e discussão de resultados dos modelos ................................................................ 31

4.1. Condições de fronteira e outros valores pré-definidos ........................................................ 31

4.2. Modelo para a fase gasosa ................................................................................................. 32

4.3. Modelo para as esferas de calcário .................................................................................... 33

4.4. Ligação entre os dois modelos ............................................................................................ 34

4.5. Variação dos parâmetros do processo produtivo ................................................................ 36

4.5.1. Variação do caudal mássico do gás natural ........................................................... 36

vi

4.5.2. Variação do coeficiente de excesso de ar .............................................................. 39

4.5.3. Variação da granulometria das pedras admitidas no forno .................................... 41

4.5.4. Variação do coeficiente de convecção térmica (h) ................................................. 41

4.5.5. Variação do valor das perdas de energia ............................................................... 42

5. Conclusões .................................................................................................................................... 45

5.1. Conclusões do estágio na Lusical ....................................................................................... 45

5.2. Conclusões sobre os modelos dos fornos .......................................................................... 45

6. Referências .................................................................................................................................... 47

Anexo A ................................................................................................................................................... A

A1. Resultados dos balanços de energia aos fornos 2, 4, 5 e 7 ..................................................... A

A2. Análises termográficas dos fornos 1, 2, 5 e 7 ............................................................................J

vii

Lista de Figuras

Figura 2.1: Esquema da pedreira da Lusical ........................................................................................... 4

Figura 2.2: Esquema do funcionamento de um forno [2] ........................................................................ 7

Figura 2.3: Balanço de energia e massa ao forno [2] ............................................................................. 9

Figura 2.4: Evolução da temperatura de calcinação com o coeficiente de excesso de ar [3] ............... 11

Figura 2.5: Perdas de energia através das paredes do forno 1 – Jan14 .............................................. 12

Figura 2.6: Perdas de energia através dos gases de escape no forno 1 – Jan14................................ 13

Figura 2.7: Perdas de energia no desenfornamento da cal no forno 1 – Jan14 ................................... 13

Figura 2.8: Perdas de energia através das paredes do forno 1 – Fev14 .............................................. 14

Figura 2.9: Perdas de energia através dos gases de escape no forno 1 – Fev14 ............................... 14

Figura 2.10: Perdas de energia no desenfornamento da cal no forno 1 – Fev14................................. 15

Figura 2.11: Distribuição de temperaturas num forno [2] ...................................................................... 17

Figura 2.12: zona de pré-aquecimento do forno 4 ................................................................................ 18

Figura 2.13: zona de combustão do forno 4 .......................................................................................... 18

Figura 2.14: zona de arrefecimento do forno 4 ..................................................................................... 19

Figura 2.15: Períodos e horários da eletricidade .................................................................................. 20

Figura 3.1: a) representa o esquema de distribuição das esferas de calcário dentro do forno e a

imagem b) representa, para efeito de modelação, uma secção do forno contendo uma linha de

esferas de diâmetro igual à altura dessa secção. ................................................................................. 25

Figura 3.2: Distribuição das temperaturas dentro de uma cuba em função do tempo [2] .................... 27

Figura 4.1: Perfil de temperatura para o gás natural, a azul, e para a superfície da esfera, a roxo..... 33

Figura 4.2: Perfil de temperaturas do gás natural e da superfície das esferas em função do tempo de

ciclo de combustão ................................................................................................................................ 34

Figura 4.3: Convergência dos dois modelos ......................................................................................... 35

Figura 4.4: Hipótese de caudal de gás natural à entrada do forno de 0,13 Kg/s.................................. 38

Figura 4.5: Hipótese de caudal de gás natural à entrada do forno de 0,195 Kg/s................................ 39

Figura 4.6: Temperaturas de calcinação em função do coeficiente de excesso de ar [3] .................... 40

Figura 4.7: Reacção estequiométrica e com caudal mássico de 0,195 Kg/s ....................................... 41

Figura 4.8: Perfil de temperaturas com 0% de perdas de energia ....................................................... 43

Figura 4.9: Resultados finais ................................................................................................................. 44

viii

Figura 1: Perdas de energia através das paredes do forno 2 – Jan14 ................................................... A

Figura 2: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 2 – Jan14..................................... A

Figura 3: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 2 – Jan14...................................... B

Figura 4: Perdas de energia através das paredes do forno 2 – Fev14 ................................................... B

Figura 5: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 2 – Fev14 .................................... B

Figura 6: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 2 – Fev14 ..................................... C

Figura 7: Perdas de energia através das paredes do forno 4 – Jan14 ................................................... C

Figura 8: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 4 – Jan14..................................... C

Figura 9: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 4 – Jan14...................................... D

Figura 10: Perdas de energia através das paredes do forno 4 – Fev14 ................................................. D

Figura 11: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 4 – Fev14 ................................... D

Figura 12: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 4 – Fev14 ................................... E

Figura 13: Perdas de energia através das paredes do forno 5 – Jan14 ................................................. E

Figura 14: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 5 – Jan14................................... E

Figura 15: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 5 – Jan14.................................... F

Figura 16: Perdas de energia através das paredes do forno 5 – Fev14 ................................................. F

Figura 17: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 5 – Fev14 .................................. F

Figura 18: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 5 – Fev14 ...................................G

Figura 19: Perdas de energia através das paredes do forno 7 – Jan14 .................................................G

Figura 20: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 7 – Jan14...................................G

Figura 21: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 7 – Jan14.................................... H

Figura 22: Perdas de energia através das paredes do forno 7 – Fev14 ................................................. H

Figura 23: Perdas de energia através dos gases de escape do forno 7 – Fev14 .................................. H

Figura 24: Perdas de energia através do desenfornamento do forno 7 – Fev14 .................................... I

Figura 25: zona de pré-aquecimento .......................................................................................................J

Figura 26: zona de combustão .................................................................................................................J

Figura 27: zona de desenfornamento ......................................................................................................J

Figura 28: zona de pré-aquecimento ...................................................................................................... K

Figura 29: zona de combustão ................................................................................................................ K

Figura 30: zona de desenfornamento ..................................................................................................... K

ix

Figura 31: zona de pré-aquecimento ...................................................................................................... L

Figura 32: zona de combustão ................................................................................................................ L

Figura 33: zona de desenfornamento ..................................................................................................... L

Figura 34: zona de pré-aquecimento ..................................................................................................... M

Figura 35: zona de combustão ............................................................................................................... M

Figura 36: zona de desenfornamento .................................................................................................... M

x

Lista de Tabelas

Tabela 2.1: Percentagem das perdas de energia em Janeiro para o forno 1 ....................................... 14

Tabela 2.2: Percentagem das perdas de energia no balanço ao forno 1 em Fevereiro ....................... 15

Tabela 2.3: perdas no forno 2 em Janeiro ............................................................................................. 15

Tabela 2.4: perdas no forno 2 em Fevereiro ......................................................................................... 16






Tabela 2.10: perdas no forno 7 em Fevereiro ....................................................................................... 16

Tabela 2.11: Consumos de energia e custo total no mês de Janeiro de 2014 ..................................... 20

Tabela 2.12: Preços por KWh do consumo energético e distribuição das horas pelos diferentes

horários .................................................................................................................................................. 21

Tabela 2.13: Condição ótima de trabalho para a produção imposta de 2500 toneladas por mês ........ 22

Tabela 4.1: Valores indicativos das necessidades energéticas dos fornos [5] ..................................... 36

Tabela 4.2: Optimização de valores do caudal mássico de gás natural à entrada do forno ................. 37

xi

Lista de Símbolos

A Área da secção recta do forno [m2]

Bi Nº de Biot [-]

Cp Calor específico [J/(Kg.K)]

d Diâmetro de cada esfera [m]

D Diâmetro do forno cilíndrico [m]

Fo Nº de Fourier [-]

h Coeficiente de convecção térmica [W/(m2.K)]

H Altura do forno [m]

K f Coeficiente de condutividade térmica dos

gases de combustão

[W/(m.K)]

Keff Coeficiente de condutividade térmica da cal [W/(m.K)]

n Nº de camadas de esferas [-]

Nu Nº de Nusselt [-]

PCS Poder calorífico superior [J/Kg]

Pr Nº de Prandtl [-]

Re Nº de Reynolds [-]

ro Comprimento característico relativo à esfera [m]

t Tempo de ciclo [seg]

�� Velocidade intersticial [m/seg]

1

1. Introdução

1.1. Motivação e âmbito do trabalho

Muitas instalações industriais exibem consumos energéticos elevados, devido à especificidade do seu

processo produtivo e, em situações menos desejáveis, devido a eventuais ineficiências do processo.

Em muitos casos, essa necessidade do processo produtivo é satisfeita através da queima de

combustíveis fósseis para conversão de energia química em energia térmica (calor). São casos

típicos a indústria alimentar, as refinarias, as cimenteiras ou, neste estudo específico, a indústria

pedreira. De facto, os consumos têm, por vezes, de ser elevados pois os processos que alimentam

requerem quantidades muito elevadas de energia para se realizarem, como é o caso do fabrico de

cal. Neste processo, uma pedra de calcário tem de ser submetida a temperaturas na ordem dos

1000°C para que se processe a reação química de tra nsformação do calcário em cal, com a inerente

libertação de dióxido de carbono. No caso particular da empresa em estudo, são requeridas cerca de

50 toneladas diárias de gás natural para queima, visando uma produção diária de cal de 800

toneladas. Naturalmente, estes processos de queima de combustíveis fósseis associados às reações

químicas dos processos anteriormente referidos, provocam a emissão de poluentes para a atmosfera

e representam custos muito significativos para as empresas. Como tal, e no âmbito da engenharia, é

necessário tentar reduzir ao máximo os consumos energéticos referidos e adotar medidas que, a

curto ou a médio prazo, sejam rentáveis não só para a parte administrativa das empresas como para

o meio ambiente.

O desenvolvimento deste trabalho deveu-se a um estágio relativo ao programa GALP 20-20-20 cujo

objetivo passa precisamente por solucionar estratégias de poupança de energia dentro das empresas

que são clientes da GALP. A empresa em questão é a Lusical, pertencente ao grupo Lhoist e líder na

produção de cal em Portugal. Os seus consumos energéticos elevados levaram a empresa a

participar neste programa tendo sido o ponto de partida para a concretização deste trabalho.

1.2. Enquadramento do trabalho

A Lusical está inserida na sociedade Balthazard & Cotte que, por sua vez, pertence ao grupo Lhoist,

líder mundial na produção de cal. Sediado na Bélgica, o grupo estende-se da América até à Ásia,

estando presente em 25 países com mais de 90 instalações por todo o mundo. A fábrica da Lusical

encontra-se no distrito de Santarém, na freguesia de Alcanede e conta com a colaboração de cerca

de 50 pessoas. A estrutura de desenvolvimento da fábrica pode ser dividida em 4 grandes áreas. Os

escritórios, onde é desenvolvida toda a gestão da fábrica como a secção de administração, salas de

reuniões, secção de encomendas, secção comercial e a sala de expedição; a área dos fornos é onde

se gere toda a produção e onde se realiza a manutenção dos mesmos, bem como todos os

equipamentos responsáveis pelo seu funcionamento (filtros de ar, motores elétricos, válvulas, etc.); a

área das oficinas, responsável pelo fabrico de pequenas peças necessárias ao funcionamento dos

2

fornos, soldaduras e reparações de peças de pequena ordem; a área da secção da cal hidratada, um

tipo de cal que após sair do forno está sujeita a um tratamento que a envolve em água numa câmara

rotativa. Existe ainda a pedreira que se situa nas imediações da fábrica, de onde se extrai a pedra

calcária a ser admitida nos fornos, e que pode constituir assim uma 5ª área fundamental para a

estrutura da empresa.

A cal é um produto essencial à actividade económica da vasta maioria dos países e é muito

consumido a nível mundial nas mais variadas áreas. São exemplos a construção civil (tintas,

pavimentos, paredes, asfalto), a agricultura (regulação de acidez e estabilização dos solos), a

indústria alimentar (rações para animais, açúcar, etc.), a indústria papeleira e farmacêutica (agente

branqueador), a indústria vidreira (transparência ao vidro), a indústria metalúrgica (refratários em

fornos de aço e separação da escória do ferro), a indústria cimenteira, a indústria têxtil (produção de

couro), o tratamento de gases de combustão (redução de óxidos de enxofre, gases ácidos, etc.), o

tratamento de água canalizada (reguladora de pH), entre outros.

A principal necessidade da Lusical do ponto de vista energético é a redução no consumo de gás

natural. Por dia, a instalação necessita em média de 50 toneladas de gás natural, o que, ao fim de um

ano, representa um valor de consumo de quase 20.000 toneladas, constituindo a principal fonte de

despesas energéticas da empresa. Para comparação, note-se que o consumo de eletricidade

representa apenas cerca de 10% do consumo de gás natural em laboração contínua.

1.2.1. Processo de fabrico de cal

A cal é proveniente da pedra calcária que, quando absorve uma determinada quantidade de energia

(aproximadamente 840 Kcal/Kg de cal que equivale a praticamente 1 KWh), liberta o dióxido de

carbono contido no seu interior dando origem ao produto branco final. Existem dois tipos de cal

produzida na Lusical que são a cal viva, ou pura, e a cal dolomítica. Esta última é obtida através de

um calcário rico em magnésio e, por ser um tipo de cal pouco produzido pela empresa, o estudo

recairá apenas sobre a cal viva. A reação química para a formação de cal viva é endotérmica e pode

expressar-se pela eq.(1) [1].

�� + �� → �� + �� (1)

A estequiometria da reação estabelece que 1 Kg de calcário (CaCO3) origina cerca de 560 g de cal

(CaO) e cerca de 440 g de dióxido de carbono (CO2).

A pedra calcária é extraída das pedreiras, circundantes às instalações da fábrica, com recurso a

explosivos e é britada com uma dada calibragem ainda na pedreira através de um moinho de

martelos. Depois, é transportada para a fábrica onde se submete a outra britagem antes de ser

cozida nos fornos. Após sensivelmente 20 horas dentro do forno, a pedra é desenfornada, já

transformada em cal, e é armazenada em silos onde permanece até ser descarregada para camiões

e transportada para os diversos clientes da Lusical.

3

1.3. Contribuição da tese

Após uma comparação grosseira, mas ainda assim significativa, torna-se necessário implementar

algumas medidas para reduzir os consumos energéticos na fábrica da Lusical, nomeadamente os

consumos de gás natural. Pretende-se com esta dissertação, analisar com detalhe o funcionamento

dos fornos e o processo de calcinação, isto é, o processo de transformação do calcário em cal viva, a

fim de perceber onde, e como se podem aplicar essas medidas.

1.4. Estrutura da dissertação

Esta dissertação terá três fases descritivas distintas onde na primeira é caracterizada a empresa em

estudo assim como o processo de obtenção de cal, na segunda é elaborado um modelo que visa

estudar o comportamento físico-químico da reacção de calcinação com o objetivo de se compreender

o processo mais detalhadamente apesar das assumidas simplificações e na terceira fase é incluída

toda a análise de resultados obtidos provenientes da modelação onde se sugerem alterações aos

parâmetros do processo de obtenção de cal de forma a avaliar a sua viabilidade.

Por fim, surge um capítulo com conclusões do estudo desta dissertação.

4

2. Caracterização da empresa e do processo produtiv o

As etapas do processo produtivo de cal praticadas na Lusical são as seguintes:

1 - A pedreira é o local onde se encontra toda a matéria-prima necessária à produção de cal, ou seja,

a pedra de calcário. A Lusical tem a seu cargo 4 pedreiras nas imediações da fábrica, e a extração da

pedra é feita através de explosões realizadas uma vez por ano, por razões contratuais, sendo

controladas e supervisionadas pela própria empresa. Estima-se que haja pedra suficiente nas

pedreiras para produzir cal por mais 40 anos.

Após o rebentamento dos longos muros de pedra, ainda na pedreira, a mesma é partida por um

moinho de martelos (máquina giratória equipada com martelos hidráulicos) e é transportada para uma

secção de britagem. De seguida, numa secção de crivagem, a pedra é separada de forma a obter-se

a granulometria pretendida (30/120 mm). Qualquer grão abaixo dos 30 mm é crivado e vai a uma

estação de moagem até ficar com 0/2 mm de granulometria. Este produto “areado” é depois

comercializado na indústria de rações para animais, na agricultura para correção de acidez dos solos

ou ainda na indústria vidreira. A pedra com granulometria 30/120 mm, que é considerada a ideal para

os fins pretendidos pela Lusical, é transportada diariamente da pedreira para a fábrica por 2 camiões

de forma a garantir em armazém a quantidade necessária de pedra pronta para ser introduzida nos 5

fornos existentes.

Figura 2.1: Esquema da pedreira da Lusical

2 - A pedra já armazenada é transportada em telas a uma secção de crivagem que vai filtrar

novamente a granulometria para garantir uma entrada no forno de 30/120 mm, visando eliminar a

pedra que se partiu ao ser descarregada. Novamente através de telas transportadoras, as pedras são

então conduzidas para os fornos. Há um tapete transportador que alimenta os fornos 4, 5 e 7 e outro

que alimenta os fornos 1 e 2. A esta etapa chama-se enfornamento.

3 - Assim que as pedras dão entrada nos fornos, inicia-se a cozedura do calcário a elevadas

temperaturas, acima dos 1000°C, o que origina a lib ertação do dióxido de carbono do seu interior. O

produto final, após a cozedura, é então a cal viva ou dolomítica. Existem 5 fornos para esse fim na

fábrica da Lusical: os fornos 1, 2, 4, 5 e 7. No início, a fábrica dispunha apenas de um forno de

produção de cal. No entanto, com o aumento sistemático da procura, foi necessária a construção de

um segundo forno, em 1996. Ao longo dos anos construíram-se mais 3 fornos, tendo sido o último

5

adquirido em 2010. Estes fornos têm 2 cubas que trabalham em ciclos alternados ora como câmara

de combustão, ora como câmara de escape, o que permite um rendimento maior e menores

consumos de combustível. Os combustíveis utilizados na Lusical são o gás natural, o coque de

petróleo e um combustível líquido, chamado slops, que é um derivado do crude obtido através da

extração de resíduos dos navios petroleiros. O gás natural é o combustível que tem maior utilização

relativamente aos outros, pois é o que tem características que permitem uma combustão mais

controlada e mais homogénea.

4 - O processo de extração da cal à saída dos fornos é designado por desenfornamento. Quando a

cal chega ao fundo do forno, depois de passar por um processo de refrigeração após a zona de

combustão do gás natural, é encaminhada para silos de desenfornamento. A cal é refrigerada até

100°C com ar atmosférico introduzido dentro do forn o, de forma a não derreter os tapetes de

extração. Existem, assim, 2 zonas diferentes de desenfornamento. A zona 1, que é a zona

correspondente aos 2 fornos mais antigos (fornos 1 e 2), tem 6 silos de desenfornamento, enquanto

que a zona 2 corresponde ao armazenamento da parte mais nova (fornos 4, 5 e 7) e contém 2 silos

de desenfornamento. Devido aos impactos nas descargas das pedras de cal contra as paredes dos

fornos e dos silos, as mesmas acabam com uma granulometria de 0/120 mm.

5 – Nesta etapa a cal é armazenada como produto final pronto para ser vendido aos clientes da

Lusical. Após a cal ser desenfornada para os silos referidos acima, vai sofrer algumas transformações

físicas a nível da granulometria (consoante os pedidos dos diferentes clientes) através de um

processo de crivagem/moagem. Tanto a zona 1 como a zona 2 têm processos de crivagem, e são

idênticos. A cal sai dos silos de desenfornamento e passa por um crivo através de elevadores que

funcionam em circuito fechado que vai filtrando diferentes granulometrias. Existem 3 gamas

diferentes de granulometria de produto final que são produzidas neste percurso: 3/7 mm, 7/18 mm e

18/80 mm. A cal de dimensões maiores do que as requeridas é levada a um moinho cónico para

reduzir o seu tamanho. Existem ainda 2 tipos de granulometria que requerem a moagem num moinho

de martelos de forma a transformar as dimensões da cal em 0/2 mm e 0/15 mm.

6 - Noutra secção da fábrica da Lusical, existe um processo designado por micronização que consiste

em reduzir o grão de cal com granulometria de 0/2 mm para 200 µm através de um moinho de

martelos. Este produto é enviado alternadamente, consoante a produção e as exigências dos

clientes, para um silo de armazenamento de produto final e para uma secção de ensaque. O

transporte deste pó é feito através de um sistema pneumático de tubos, com a ajuda de supressores,

em que o ar empurra o produto para o silo.

Nesta mesma secção existe também o grupo de hidratação que consiste numa produção de outro

tipo de cal, diferente da cal viva. A cal proveniente dos fornos é introduzida numa hidratadora que,

através de um controlo de caudal e temperatura da água, produz a cal morta ou hidratada, que é,

quimicamente, hidróxido de cálcio. A cal reage fortemente com a presença de água através de uma

reação exotérmica, e essa forte precipitação da cal é controlada na hidratadora para que o produto

final seja um pó seco. Quando a hidratadora se encontra cheia de cal hidratada, esta, por gravidade,

é encaminhada para um sem-fim que a transporta para um elevador. Este elevador introduz a cal num

6

separador que vai selecionar uma cal de melhor qualidade e enviar o produto menos bom para um

outro elevador de forma a repetir o processo mais duas vezes noutros dois separadores diferentes.

Existem portanto 3 separadores para as 3 diferentes qualidades de cal hidratada, sendo a 3ª

qualidade um produto menos puro que não tem tanta saída comercial devido à presença excessiva

de calcário. Os produtos são então armazenados em 3 silos distintos como produto final.

7 - Dependendo dos pedidos dos clientes, assim é a resposta da Lusical face às quantidades e aos

tamanhos de grão requeridos. O ensaque é feito mediante estas condições onde a cal é introduzida

em big bags que normalmente são para exportação e podem conter entre 500 e 1000 Kg de cal. Para

clientes nacionais habituais os sacos variam entre 20 e 40 Kg de cal.

2.1. Índices energéticos da Lusical

Os equipamentos responsáveis pela maior fatia de energia despendida na fábrica são os fornos para

a produção da cal sendo, por isso, o objeto de estudo desta tese. Os fornos na Lusical são fabricados

pela Maerz e são compostos por 2 cubas, isto é, 2 torres cilíndricas com cerca de 15 metros de altura

e 3 metros de diâmetro cada uma, com exceção do forno 1 que é constituído por duas torres

retangulares e é ligeiramente mais pequeno do que os restantes fornos tendo uma altura de cerca de

12 metros e uma secção de cuba com 2,7m x 1,5m – ver figura 2.2. No entanto, o princípio de

funcionamento é o mesmo e é bastante simples: a pedra de calcário é admitida na parte superior de

uma das cubas e, enquanto essa cuba se dedica à combustão, a outra aproveita os gases de escape

para se realizar o pré-aquecimento do calcário.

O processo de combustão demora cerca de 10 minutos, variando ligeiramente de forno para forno

devido aos diferentes tipos de combustíveis e de pedra calcária. Após esse tempo, a que se chama

tempo de ciclo, o processo é invertido para que a outra cuba possa queimar a pedra já pré-aquecida.

Este processo permite um melhor aproveitamento de energia, tornando o forno mais eficiente, visto

que a pedra de calcário necessita de bastante energia, cerca de 840 Kcal/Kg de cal (3,6 MJ/Kg) para

ser transformada em cal. O forno tem a forma de um “H” em que cada haste vertical representa uma

cuba e onde a haste horizontal representa o elo de ligação por onde circulam os gases de escape e

de refrigeração. Na figura 2.2, que apresenta um esquema de funcionamento de um forno, a cuba 1

está em processo de combustão e a cuba 2 em pré-aquecimento.

7

Figura 2.2: Esquema do funcionamento de um forno [2]

A pedra é introduzida na parte superior do forno e é queimada na zona representada com setas a

vermelho na figura 2.2. O processo de cozedura, ou queima, é feito através de lanças, também

identificadas na imagem na figura, que introduzem o respetivo combustível, e dura cerca de 10

minutos. Após este ciclo todo o processo é invertido, através do acionamento das válvulas que

permitem uma inversão dos escoamentos e a combustão muda-se para a outra cuba. É introduzido ar

de arrefecimento na zona inferior do forno, representada pelas setas a azul claro, para arrefecer a cal

até uma temperatura de cerca de 100°C, para que est a não derreta os tapetes de extração. O forno 1

utiliza o combustível derivado do crude, slops, para a produção de cal, e o forno 2 utiliza slops

alternado com gás natural. O forno 4 também alterna os combustíveis, mas difere do forno 2 na

medida em que em vez de slops utiliza como combustível o coque de petróleo. Os fornos 5 e 7, os

mais recentes da fábrica e os maiores produtores de cal, trabalham constantemente a gás natural e

são os maiores responsáveis pelo consumo deste combustível.

O processo de produção de um quilograma de cal requer uma energia de 840 Kcal. Esta energia

equivale a 0,98 KWh (pode ser aproximada a 1 KWh). Independentemente da granulometria e do

caudal de calcário admitido nos fornos, esta energia terá de ser sempre fornecida para cumprir a

meta desejada. Recorrendo a dados fornecidos pela Lusical, foram obtidos os seguintes indicadores

energéticos para o mês de Janeiro e Fevereiro de 2014: em Janeiro, a fábrica produziu 26.501

toneladas de cal e para tal consumiu 1.832.400 � de gás natural, resultando num consumo de

energia térmica de 21.332.816 KWh. Consumiu ainda 308,755 toneladas de coque de petróleo que

originou uma energia de 1.667.897 KWh e 362,204 toneladas de slops que se traduzem em

3.910.734 KWh. Os consumos elétricos totais foram de 3.044.963 KWh e a energia total despendida

neste mês foi de 29.956.410 KWh, cerca de 30 GWh. Em fevereiro foram produzidas 27.543

8

toneladas de cal, e foram consumidos 1.987.870 � de gás natural resultando num consumo de

energia térmica de 23.040.610 KWh. Foram consumidas 239,671 toneladas de petcoke gerando uma

energia de 1.264.900 KWh e 436,33 toneladas de slops que se traduziram numa energia de

4.849.420 KWh. A energia elétrica fornecida para este mês foi de 3.054.962 KWh e em Fevereiro foi

consumida uma energia total de 32.209.892 KWh, ou seja, 32,2 GWh.

Feito o balanço global para os dois meses verifica-se que, para Janeiro o índice de consumo

energético para a produção de cal é de 1,13 KWh/Kg de cal e, para Fevereiro, é de 1,17 KWh/Kg de

cal. Os valores ultrapassam ligeiramente o valor teórico de 1 KWh/Kg de cal porque este apenas

contabiliza o consumo de combustível necessário ao processo, enquanto que nestes últimos cálculos

foram também contabilizados os consumos de eletricidade da fábrica e que, como previsto,

representam cerca de 10% do consumo dos combustíveis fósseis.

O processo de obtenção de cal necessita de enormes quantidades de energia caso a produção seja

elevada, como já foi evidenciado no caso específico da Lusical. Para fornos de elevada produção

como os mencionados na secção 1.2.2, com escoamentos de cal entre 150 e 300 toneladas diárias, é

necessário um grande consumo de gás natural para fornecer a energia necessária de cerca de 30

GWh por mês (360 GWh anuais).

Para termos comparativos, através do simulador de potência e consumos, disponível na Internet no

endereço da EDP, estimou-se um consumo de energia numa casa de família com 4 assoalhadas em

que a cozinha dispõe de todos os eletrodomésticos e cujas assoalhadas estão todas equipadas com

ar condicionado, serviço de televisão e computador. A casa em questão tem 2 quartos, 2 casas de

banho, uma cozinha, uma sala e um escritório e requer um consumo energético mensal de 1.937,21

KWh. Este valor foi estimado por excesso, pois trata-se de um valor bastante elevado para as

necessidades e para o estilo de vida de uma família em Portugal. Com este valor, ao fim de um ano,

esta família terá gasto 23.246,52 KWh. Tendo em conta que durante um mês a Lusical gasta cerca de

30 GWh, pode ser feita uma comparação entre os dois cenários em que um mês de consumos

energéticos na Lusical, seria suficiente para suportar as necessidades de mais 15.486 famílias iguais.

Se for tido em conta a população da área da Grande Lisboa que, de acordo com os últimos censos, é

de 2.242.326 habitantes, e se for assumido que cada família é composta por 3 pessoas, obtém-se um

total de 747.442 famílias. Assim, é possível ter a perceção de que a energia despendida num mês na

Lusical seria suficiente para satisfazer um mês de necessidades energéticas a 2% da população da

área da Grande Lisboa.

2.2. Balanços de massa e de energia aos fornos

Como referido anteriormente, os fornos são responsáveis por cerca de 90% dos consumos de

energia da Lusical e, como tal, são o objeto de estudo desta tese. Neste capítulo será retratado todo

o funcionamento dos fornos e será feita uma análise energética de forma a perceber as zonas dos

9

fornos que requerem maiores consumos de combustível e as zonas onde há maiores perdas de

energia.

A primeira abordagem para caracterizar o desempenho dos fornos passou por efetuar balanços de

massa e de energia, visando identificar e quantificar as perdas de energia existentes. Este

procedimento de análise contém valores reais retirados diariamente dos registos da sala de comando,

mas também contém alguns valores que são assumidos constantes, e outros são determinados

através de equações que nos permitem obter uma estimativa dos valores desejados. Os valores

retirados da sala de comando compreendem apenas uma leitura diária, referente ao funcionamento

de cada cuba às 08:00 h, pelo que a estimativa acaba por representar valores médios diários com

alguma margem de erro. O procedimento num balanço energético passa primeiramente por se definir

um volume de controlo e, de seguida, por identificar as suas entradas e saídas de massa e energia.

Definiu-se o forno como um todo, isto é, dentro do volume em análise foram incluídas ambas as

cubas, visto que há sempre uma a tirar partido dos gases de escape da outra. O volume de controlo

definido é ilustrado na figura 2.3 assim como os caudais de energia e de massa.

Figura 2.3: Balanço de energia e massa ao forno [2]

10

No balanço energético as entradas são o calcário, o combustível utilizado, o ar fornecido para a

combustão e o ar de arrefecimento da cal. As saídas de energia são a cal, com o seu conteúdo

energético (incluindo o que absorve para formar a cal), os gases de escape e as perdas através das

paredes [3]. De forma a manter-se o equilíbrio termodinâmico e ignorando, para já, que o forno é

constituído por duas cubas, a equação que rege este balanço de energia é a eq.(2),

��ℎ�� + �� ,�� + �� ,��,��,�� + �� ,��,��,��= ��,��,��,�� + (�� !��!��! + �� !"#��$ℎ°��!) + '�(��#�� (2)

em que o �� representa o caudal mássico de combustível utilizado na queima e ℎ�� se refere ao

poder calorífico do combustível. O caudal mássico de entrada da pedra calcária é representado por

�� , o calor específico da pedra por �� e a temperatura mínima necessária à descarbonatação por

��,��. O caudal mássico referente ao ar de combustão é representado por �� ,�� e o respetivo calor

específico por ��,�� enquanto que a temperatura a que é introduzido no forno é apresentada como

��,��. O termo �� ,�� refere-se ao caudal mássico do ar de arrefecimento, o termo ��,�� é o

calor específico do ar à temperatura a que é admitido e a temperatura a que é admitido é

representada por ��,��. O caudal mássico dos gases de escape é representado por ��,��, o

respetivo calor específico por ��,�� e a respetiva temperatura por ��,�� . O caudal mássico da cal

desenfornada é apresentado como �� !, o seu calor específico por ��! e a respetiva temperatura

��! . O termo "#�� é o grau de decomposição, que se traduz pelo dióxido de carbono residual contido

numa pedra de cal desenfornada, e o termo $ℎ°��! representa a entalpia de formação da cal. O termo

'�(��#�� é relativo às perdas de energia pelas paredes dos fornos.

Como referido, a eq.(2) seria válida caso o forno fosse constituído apenas por uma cuba, onde

fossem evidentes todas as entradas e saídas de matéria como é descrito acima. Como os fornos da

Lusical dispõem de duas cubas, sendo uma destinada a pré-aquecer a pedra praticamente até à sua

temperatura de descarbonatação T,-,./, a equação do balanço de energia terá de ser corrigida.

Assim, pode omitir-se o termo referente ao aquecimento do calcário porque o próprio sistema se

encarrega de fornecer toda a energia necessária. Então, a equação que foi utilizada para efeitos de

cálculo e análise foi a seguinte,

��ℎ�� + �� ,��,��,�� + �� ,��,��,��= ��,��,��,�� + (�� !��!��! + �� !"#��$ℎ°��!) + '�(��#�� (3)

Foram efetuadas algumas aproximações e alguns valores foram assumidos constantes. Foi o caso de

a temperatura do ar de arrefecimento ��,�� = 10º�, a temperatura do ar de combustão, cuja leitura

foi obtida através do termómetro da fábrica e assumida constante, ��,�� = 534�, e os respetivos

calores específicos a essas temperaturas que são facilmente obtidos através de tabelas ��,�� =1003,6 6 78. 7⁄ e ��,�� = 1017,9 6 78. 7⁄ . Por forma a determinar o calor específico dos gases de

11

escape foi feita uma aproximação ao calor específico do ar à temperatura de 100°C cujo valor é 1068

J/Kg.K e considerou-se o calor específico da cal desenfornada, também a 100°C, com um valor de

837,36 J/Kg.K. O valor para a entalpia de formação da cal é considerado constante e com um valor

de 3,03 MJ/Kg de cal. Para determinar o caudal dos gases de escape é efetuado um balanço de

massa, expresso pela eq.(4).

��,�� = �� ,�� + �� ,�� + �� + �� × =>?@ (4)

Na eq.(4), o termo =>?@é a fração mássica de dióxido de carbono no calcário, e o seu valor varia entre

0,42 e 0,44. Para os cálculos do balanço de energia utilizou-se o valor médio de 0,43.

Para os cálculos da energia necessária à descarbonatação é necessário obter os valores de "#��

através de dados já existentes na Lusical, sendo o referido valor dado por "#�� = 1 − ��B#��!, em

que os valores da concentração de dióxido de carbono residual foram facilmente obtidos no

laboratório de análises de cal da Lusical. No que se refere à temperatura de calcinação ��,��, esta

varia linearmente com o coeficiente de excesso de ar, e a sua evolução pode ser identificada através

do gráfico da figura 2.4.

Figura 2.4: Evolução da temperatura de calcinação co m o coeficiente de excesso de ar [3]

Tendo em conta que os registos da sala de comando da fábrica tinham as unidades de caudais de ar

em C � ℎ⁄ , foi necessário converter estas unidades (que fornecem indicações de volume em

condições de temperatura de 0°C e pressão atmosféri ca normal) para � ℎ⁄ de forma a que as

unidades no balanço de energia fossem coerentes. A equação de conversão é a seguinte, onde D4 é o

volume em C � e V é o volume [ �] que se pretende determinar.

12

D4 = D F + F4F4�4� + �4

1G (5)

O valor de p é a pressão relativa do gás ou do ar medida à saída dos injetores, F4 é a pressão

atmosférica que tem o valor de 1,013 bar, �4 é 273 K e T [K] é a temperatura do gás ou do ar medida

no contador. O quociente HI é um fator de correção que tem os valores de 0,99 para gases e de 1 para

ar [4].

Todos os restantes valores foram obtidos através de registos fornecidos pela sala de comando e

através de tabelas já existentes.

2.3. Resultados dos balanços de energia

Após a elaboração dos balanços energéticos em folhas de Excel, construídas para o efeito e

aplicadas aos 5 fornos da fábrica, conseguiu-se discretizar e identificar cada tipo de perda de energia.

Foram tratados os dados referentes a dois meses, Janeiro e Fevereiro de 2014, para determinar um

padrão para a evolução dos resultados. Por forma a ter uma melhor noção e poder caracterizar as

perdas calculadas, é necessário ter valores de referência que sirvam de comparação. Se for

assumida uma produção diária de 300 toneladas de cal para cada forno, as perdas estimadas são de

51 GJ para as paredes dado que por cada Kg de cal se perdem 170 KJ de energia; 24 GJ para o

desenfornamento porque são desperdiçados 80 KJ de energia por cada Kg de cal desenfornada; e 87

GJ nos gases de escape pois por cada Kg de cal perde-se 290 KJ de energia. Estes cálculos foram

obtidos para uma produção média de 300 toneladas de cal por dia para cada forno e as temperaturas

de desenfornamento e de escape foram consideradas constantes com valores de 100°C.

De seguida serão apresentados os valores obtidos apenas para o forno 1, remetendo os restantes

para os anexos desta tese. Para o mês de Janeiro, obtiveram-se os seguintes valores relativos às

perdas de energia,

Figura 2.5: Perdas de energia através das paredes do forno 1 – Jan14

13

Figura 2.6: Perdas de energia através dos gases de e scape no forno 1 – Jan14

Figura 2.7: Perdas de energia no desenfornamento da cal no forno 1 – Jan14

Verifica-se que as perdas mais significativas são através das paredes do forno, sendo diretamente

proporcionais à produção, e que as perdas de desenfornamento se mantêm praticamente constantes

ao longo do mês devido ao fato de as temperaturas de saída da cal não diferirem muito de dia para

dia. As perdas dos gases de escape são ligeiramente maiores quando a produção é maior, porque no

último caso há uma ligeira subida nas temperaturas dos gases de exaustão. Os valores obtidos

diferem bastante dos valores teóricos devido à grande diferença de toneladas na produção e devido

ao fato de que as temperaturas de desenfornamento e de escape não serem sempre constantes e

iguais à temperatura idealizada de 100°C.

Entre o dia 14 e o dia 27 de Janeiro de 2014 o forno esteve destinado à produção de cal dolomítica,

pelo que são visíveis algumas irregularidades durante a produção. A estimativa do peso que as

perdas de energia representam relativamente ao total de energia despendida para realizar a

produção ao longo de Janeiro de 2014 para o forno 1 consta na tabela 2.1:

14

Tabela 2.1: Percentagem das perdas de energia em Jan eiro para o forno 1

Os valores apresentados são algo elevados dado que quase 20% da energia no mês de Janeiro foi

desperdiçada, com especial destaque para as paredes do forno que são responsáveis por mais de

metade do valor total das perdas. Estes valores elevados podem ter que ver com o fato do forno ter

tido várias paragens e/ou reduções de produção ao longo do mês, assim como à mudança de produto

final como se pode constatar nas figuras 2.5, 2.6 e 2.7. Em cada novo arranque do forno há energia

desperdiçada que, em condições laborais em regime contínuo, não acontece, como veremos no mês

de Fevereiro, representado nas figuras 2.8 a 2.10.

Figura 2.8: Perdas de energia através das paredes do forno 1 – Fev14

Figura 2.9: Perdas de energia através dos gases de e scape no forno 1 – Fev14

15

Figura 2.10: Perdas de energia no desenfornamento da cal no forno 1 – Fev14

No mês de Fevereiro a produção foi um pouco mais elevada e o forno não regista nenhuma paragem

e /ou redução de produção. Assim, de acordo com o comentado anteriormente para o mês de

Janeiro, podemos observar na tabela 2.2, que a perda total de energia é bastante menor,

representando apenas 12,33% de toda a energia utilizada.

Tabela 2.2: Percentagem das perdas de energia no bal anço ao forno 1 em Fevereiro

O forno 1 é alimentado a combustível líquido, slops, enquanto que os fornos 5 e 7 trabalham

exclusivamente com gás natural. Os valores das perdas de energia relativos, por exemplo, ao forno 7

encontram-se em anexo, como foi referido, e apresentam valores percentuais bastante inferiores aos

do forno 1. A combustão a gás é mais homogénea e permite um melhor controlo da queima, pelo que

as perdas percentuais de energia no forno 7 são de 14,51% em Janeiro de 2014 e de 12,96% em

Fevereiro. O forno 1 apresentou, em Fevereiro, praticamente o mesmo valor percentual. No entanto,

a sua produção foi, em média, de 130 toneladas enquanto que a do forno 7, para Fevereiro, foi de 211

toneladas. O facto de o forno 7 ter sido a mais recente aquisição da fábrica, ou seja, ser um forno

novo, tem alguma influência no seu desempenho dado que os materiais são muito recentes e ainda

com melhores propriedades que os fornos mais antigos.

Tabela 2.3: perdas no forno 2 em Janeiro

16

Tabela 2.4: perdas no forno 2 em Fevereiro







17

2.4. Dados experimentais dos fornos

Existem algumas informações acerca da distribuição de temperaturas no interior da cuba em

combustão que permitem avaliar se a temperatura medida no exterior é aceitável, ou se é exagerada.

A distribuição de temperatura no interior do forno ao longo do tempo é dada pelo gráfico da figura

2.11.

Figura 2.11: Distribuição de temperaturas num forno [2]

Podemos então dividir o forno em 3 zonas distintas: i) zona de pré-aquecimento, onde a temperatura

varia entre 0°C e cerca de 850°C; ii) zona de combu stão, com temperaturas médias dos gases de

exaustão de 1000°C; iii) a zona de arrefecimento co m temperaturas entre os 100°C e os 900°C.

Foi utilizada uma câmara termográfica para avaliar as temperaturas em toda a área exterior dos

fornos. Apesar de haver suspeitas de maiores perdas nas paredes do forno 4, a câmara foi utilizada

em todos os fornos para garantir que nenhuma zona está a ser demasiado afetada. A emissividade

das superfícies tem um papel fundamental nesta análise e a câmara vem com uma emissividade pré-

definida de 0,95. No software da máquina, Fluke – SmartView 3.6, para o tratamento das imagens, foi

alterada a emissividade para o valor correspondente a uma parede de ferro fundido, com fundição em

bruto de forma a aproximar o mais possível das paredes reais dos fornos. Esse valor é 0,81.

18

Foi dado início à análise do forno 4. Na zona de pré-aquecimento, mais concretamente na zona de

introdução das lanças de combustível, foi possível verificar uma temperatura muito elevada na parede

exterior como se pode verificar na imagem da figura 2.12.

Figura 2.12: zona de pré-aquecimento do forno 4

A câmara termográfica apenas fornece valores de temperatura até 250°C, sendo este valor inferior ao

valor real porque, aquando da sua medição, a câmara atingiu o patamar máximo muito rapidamente.

Isto leva a crer que o valor real é um pouco superior, por volta dos 300°C. A zona de introdução das

lanças situa-se na parte de cima do forno, onde a pedra já se encontra bastante quente devido ao

pré-aquecimento, e deverá ter no seu interior temperaturas entre 400ºC e 500°C. Concluímos assim

que as perdas nesta região são de facto muito elevadas.

Na zona de combustão os valores já foram bastante aceitáveis tendo-se registado um valor máximo

para esta zona de 206,5°C, como se pode ver na figu ra 2.13.

Figura 2.13: zona de combustão do forno 4

19

A zona de arrefecimento registou os valores mais elevados junto ao elo de ligação entre as cubas por

onde circulam os gases de escape, como era de esperar – ver figura 2.14. Não é uma temperatura

muito elevada, tendo em conta que os gases nesta região circulam a cerca de 900°C e as

temperaturas já perto da zona de desenfornamento da cal são de cerca de 100°C.

Figura 2.14: zona de arrefecimento do forno 4

À semelhança das análises dos balanços de energia que foram remetidas para a secção dos anexos,

as análises às temperaturas das paredes exteriores dos restantes fornos também podem ser

consultadas nessa secção.

2.5. Produtividade e consumo energético da secção d e hidratação de

cal – Sugestão de melhoria

De forma a otimizar esta secção é necessário definir a produção mensal média de acordo com a

procura dos clientes. Estes valores permitem definir o número de horas necessárias para garantir

toda a produção e poder assim organizar os horários de funcionamento da secção em função das

horas menos dispendiosas. Após algum aconselhamento na fábrica, definiu-se um valor de produção

de 30.000 toneladas por ano, que corresponde a 2.500 toneladas de cal hidratada por mês. Este valor

é uma estimativa por excesso para que o plano de otimização seja conservador. O valor médio

horário de produção deste tipo de cal é 12 toneladas, o que se traduz num trabalho das máquinas de

208 horas mensais.

De acordo com os dados recolhidos das faturas de eletricidade, existem 2 períodos de tarifas de

eletricidade, um para horários de Verão e outro para os horários de Inverno, que se encontram

distribuídos da forma mostrada na figura 2.15.

20

Figura 2.15: Períodos e horários da eletricidade

Através de dados dos consumos da secção de hidratação, fornecidos pela Lusical, foi possível aceder

aos valores de consumos de energia em KWh entre períodos de 15 minutos durante os meses de

Janeiro e Fevereiro, obtendo-se os valores na tabela 2.11.

Tabela 2.11: Consumos de energia e custo total no m ês de Janeiro de 2014

Nota: REDES DE POTENCIA é uma tarifa independente.

Os valores dos preços foram obtidos através das faturas disponibilizadas pela fábrica, e apresentam-

se na tabela 2.12.

21

Tabela 2.12: Preços por KWh do consumo energético e distribuição das horas pelos diferentes horários

Nota: O indicador POT HPT na tabela 5 representa a potência requerida para as horas de ponta

devido a uma tarifa independente que é mostrada na tabela 4 que é identificada como REDES

POTENCIA. O indicador POT HTP é obtido pelo quociente entre a energia gasta em horas de ponta e

o número de horas em horas de ponta que produziram essa energia. Como a tarifa é diferente para

as horas de ponta este cálculo tem de ser efetuado à parte.

Assim, é possível observar um valor de 4.705,62€ de gastos em eletricidade para o mês de Janeiro

na secção de hidratação de cal, sendo as melhorias deste valor possíveis de obter pela via de

otimização dos horários de trabalho. No horário de Inverno e durante a semana (dias úteis) existem 4

horas de super vazio, 3 horas de vazio normal, 12 horas de cheias e 5 horas de ponta por dia. Ao

sábado, existem 7 horas de cheias, 4 horas de super vazio e 13 horas de vazio normal e ao domingo

existem 20 horas de vazio normal e 4 horas de super vazio. Para o mês de Janeiro, com 31 dias,

estão disponíveis 744 horas sendo apenas necessárias 208. Idealmente, o melhor horário para se

trabalhar é durante os períodos de super vazio que é quando o custo da eletricidade é mais baixo.

Desta forma, somando todas as horas de super vazio chegamos a um valor de 92 horas para os dias

úteis e 32 horas para os fins-de semana, o que perfaz um total de 124 horas. Restam ainda colocar

84 horas que serão distribuídas pelos períodos de vazio normal. O total de horas de vazio normal é

93 para os dias úteis e 1023 para os fins-de-semana. Existem então 2 hipóteses de procedimento que

se prendem com disponibilidade da fábrica. A primeira passa por se cumprirem as restantes horas

necessárias apenas aos fins-de-semana e a segunda por se esgotarem as 84 das 93 horas possíveis

durante os dias úteis. Num plano ideal, o funcionamento desta secção entre a meia-noite e as 7 horas

da manhã seria perfeito, até com produção excessiva face ao que é necessário. Por razões

económicas e laborais, a melhor opção será esgotar as horas de trabalho dos dias úteis e depois, se

possível, compensar as horas em falta nos fins-de-semana. Em termos de energia e de custos os

resultados são os que constam da tabela 2.13.

22

Tabela 2.13: Condição ótima de trabalho para a prod ução imposta de 2500 toneladas por mês

Verifica-se um custo mensal de eletricidade muito diferente do valor real, com uma poupança de

2.273,74 € e que se traduz numa redução de cerca de 48%.

2.6. Breve síntese de possíveis melhorias energétic as

Como foi referido inicialmente, o objetivo desta tese é a redução dos consumos energéticos na

Lusical. Como o principal responsável pelos valores do elevado consumo energético é o gás natural,

será em torno deste tipo de combustível que se irão centrar as seguintes hipóteses de poupança:

i) Alteração do combustível – a utilização de coque de petróleo não é tão rentável, pois o seu poder calorífico é inferior ao do gás natural, sendo necessário introduzir mais quantidade de combustível. É, contudo, financeiramente mais rentável. No entanto, o coque apresenta um teor de enxofre que não concede à cal a qualidade desejada por certos clientes. Em relação ao combustível líquido slops, a falta de oferta é a grande causa da pouca utilização, porque apesar da combustão a gás natural ser melhor controlada, em termos de produto final o resultado é semelhante. Foram realizados, há uns anos, testes de queima com biomassa, onde os resultados não foram tão satisfatórios como com a utilização de gás natural ou de slops;

ii) Elevar a temperatura do ar fornecido à combustão – a instalação não está preparada para aquecer o ar e a pressão a que ele é submetido já se encontra otimizada. Uma questão que se prende com a qualidade de combustão é o facto de uma queima com um ar de alimentação muito quente não permitir que o combustível queime na totalidade, sendo necessário introduzir mais ar à mistura que, como já foi referido, é impossível devido às limitações impostas pelos fornos. Ainda outra condicionante e, a mais importante, é o facto de ser necessário, caso

23

fosse possível, gastar energia ao aquecer o ar a determinadas temperaturas que deixariam de tornar o processo mais rentável, podendo até tornar-se ainda mais dispendioso;

iii) Reduzir a granulometria da pedra admitida no forno - a granulometria da pedra introduzida no forno é muito importante, ao nível da produção. A ideia seria reduzir a granulometria de 30/120 mm, para, por exemplo, 30/80 mm ou até 30/60 mm. Acontece que a energia necessária para a descarbonatação do calcário é a mesma, independentemente do tamanho da pedra. No entanto, para granulometrias muito pequenas, o ar de alimentação à combustão tem mais dificuldade em circular por entre os grãos de pedra devido à sua maior concentração, o que implicaria uma redução de pressão nos compressores e originaria uma combustão mais fraca e portanto, uma queda na produção. Foi realizado um ensaio no forno 7, há uns anos, com granulometria 12/50 mm, e os registos demonstram que a energia utilizada foi a mesma do que a energia utilizada com 30/120 mm e que a produção caiu devido às razões mencionadas acima;

iv) Implementação e/ou avaliação dos tijolos refratários - o forno 4 é o que apresenta maiores temperaturas devido ao tipo de combustível, coque de petróleo, que ao queimar gera elevadas temperaturas nas lanças que provocam um fluxo de calor muito elevado e que se traduz numa temperatura na parede muito mais elevada que nos restantes fornos. No forno 2 as temperaturas também são justificadas, desta vez devido à qualidade do material já ter perdido propriedades pelo facto do forno já ser antigo estando prevista uma revisão e inspeção aos seus tijolos refratários para o ano de 2015. Em relação à não existência de material isolante nas zonas de introdução das lanças, não é justificável financeiramente colmatar as perdas nestas zonas porque a pedra chega inevitavelmente à zona de combustão a temperaturas entre 800°C e 900ºC, temperatura necessária à desca rbonatação, devido ao aproveitamento dos gases de escape;

v) Instalação de um sistema de cogeração - os sistemas implementados na fábrica já

se encontram otimizados devido à inversão dos escoamentos e aproveitamento dos gases de escape, tornando assim o processo bastante eficiente. Os consumos de eletricidade representam apenas cerca de 10% dos consumos totais de energia da fábrica, pelo que não é justificável a sua produção para consumo próprio. Outro aspeto, talvez o mais importante, é que seria necessário remodelar toda a instalação actual, ou seja os 5 fornos, respetivos filtros, motores e compressores que formam uma estrutura com uma altura de cerca de 30 metros e que ocupam uma grande área onde ainda estão incluídos os tanques de combustível líquido, slops, e de combustível sólido, coque de petróleo, caldeiras e os silos de armazenamento de cal. Seria necessário um equipamento de grande dimensão e de grande investimento.

Todas as hipóteses acima descritas foram pensadas e debatidas na fábrica da Lusical e, pelos

motivos apresentados, foram todas refutadas. Assim, torna-se necessária a criação de um modelo

numérico e analítico por forma a obter com algum detalhe os caudais mássicos, os tempos de ciclo,

os perfis de temperaturas ao longo do processo e as taxas de calcinação de uma pedra calcária. Este

é o assunto que se estudará no próximo capítulo.

24

3. Modelação do processo de transferência de calor nos fornos de

produção de cal

Neste capítulo apresentam-se os dois modelos descritivos dos fenómenos de transferência de calor

que ocorrem no interior do forno de calcinação das pedras de calcário, um referente ao gás (produtos

de combustão do gás natural), e o outro referente às próprias pedras de calcário, assumidas com a

forma esférica e inicialmente a uma dada temperatura Tinicial, imersas num fluido gasoso mais quente

e que é constituído pelos produtos de combustão do gás natural com excesso de ar, atrás referidos.

No final, os dois modelos devem correlacionar-se um com o outro no que diz respeito aos perfis de

temperatura, tanto do gás como da esfera, pois são independentes. Desta forma, será possível

encontrar as melhores condições para a transferência de calor.

3.1. Modelo para a fase gasosa

O sistema em estudo está representado na figura 3.1 e é composto por um cilindro, relativo apenas a

uma das cubas de um dos fornos, de altura H e diâmetro D, preenchido por esferas de calcário.

Como foi dito anteriormente, a granulometria das pedras de calcário admitida no forno é

independente do consumo de energia, e como tal assume-se o mesmo diâmetro para todas as

esferas. A altura do cilindro é contabilizada desde a secção de introdução das lanças de injecção de

gás natural até à secção do forno correspondente ao desenfornamento da cal. No entanto, para

efeitos de simplificação do modelo, contabiliza-se apenas a altura correspondente à zona de

aquecimento da pedra. Para a criação deste modelo foi assumido que:

• As variações de temperatura apenas se verificam na direção axial (altura do forno);

• Os valores das temperaturas em cada camada são constantes ao longo do tempo;

• A condutibilidade térmica, o calor específico e a massa volúmica dos produtos de combustão

são constantes;

• A altura do forno é dividida em n camadas de altura ∆z, cujo valor é igual ao diâmetro das

esferas de calcário (ver figura 3.1 b));

• 56% do calor da combustão é utilizado para converter a pedra calcária em cal;

• As perdas totais de energia para a envolvente e associadas ao processo (pelas paredes por

convecção, radiação e condução, e com os gases de escape) foram assumidas como sendo

10% de todo o calor da combustão despendido em todo o processo, valor que vai de encontro

ao valor real estudado na fábrica da Lusical.

A granulometria escolhida para a pedra de calcário foi de 50 mm, e cada camada do forno possui

uma altura ∆z com o mesmo valor (ver figura 3.1 b)). Na realidade, na fábrica, as granulometrias

variam entre 30 a 120 mm para alguns clientes e, para outros, entre 20 e 80 mm. O valor de 50 mm é

um valor médio do compromisso que se achou adequado para ambos os casos, e se considerou

25

constante de forma a simplificar os cálculos, nomeadamente ao determinar valores de porosidade e,

consequentemente, do coeficiente de convecção.

Foi considerado um valor de 56% para a taxa de utilização do calor de combustão para a calcinação.

Dada a alta eficiência do forno, considera-se que a maior parte do calor que não é utilizado na

conversão teórica (no modelo) seja de facto utilizado na conversão real. Isto porque a cal nunca é

extraída do forno 100% pura, e desta forma é sempre necessário um calor acima das necessidades

da conversão dita ideal. Não é possível saber ao certo o valor real para a taxa de calcinação, no

entanto, dada a eficiência do forno ser elevada e dado que a fábrica produz uma cal muito pura, ou

seja, com baixo teor de dióxido de carbono, isto significa que é necessário gastar energia suficiente

para que seja libertada a maior massa de �� possível durante o processo de calcinação. Como tal,

assume-se que cerca de 44% da energia libertada na combustão é dividida entre as perdas (10%) e o

processo, sendo o restante (34%) responsável por tornar a cal o mais pura possível, tendo como

desvantagem o aquecimento das esferas após se completar a calcinação. Aliás, antes de serem

retiradas do forno, as esferas são arrefecidas com ar.

As perdas de energia de 10% são referentes ao forno 7 da fábrica, mas podem traduzir também as

perdas no forno 5 porque são praticamente idênticas. São apenas contabilizados estes dois fornos

como exemplo e guia para os modelos, pois são os únicos da fábrica que operam exclusivamente

com gás natural para a obtenção de cal.

Figura 3.1: a) representa o esquema de distribuição das esferas de calcário dentro do forno e a imagem b) representa, para efeito de modelação, uma secção do forno contendo uma linha de esferas de

diâmetro igual à altura dessa secção.

A altura ∆z, como já mencionada, refere-se a uma camada de esferas de calcário e corresponde à

diferença JBKH − JB, que são duas cotas consecutivas na altura do forno. Assumindo que a altura do

forno tem o valor de 3 m, e que cada esfera tem uma granulometria de 50 mm, existem 60 camadas

de esferas.

26

Devido ao processo ser endotérmico, existe a necessidade de incluir uma parcela na equação do

balanço de energia que traduza essa transferência de calor, que se assume ser equiparável a calor

latente, ou seja, calor que é aproveitado para a reacção endotérmica na libertação de ��, mas que

não é utilizado para aumentar a temperatura da pedra. Desta forma, inclui-se na equação do balanço

de energia um termo =(L'�MNO) que traduz uma percentagem de calor da combustão que apenas é

utilizada na conversão do calcário em cal viva que, no total, corresponde aos referidos 56% do calor

de combustão.

Tendo em conta todos os processos de transferência de calor, e assumindo apenas variações de

temperatura na direção axial, obtém-se, numa primeira análise, a eq.(6) que resulta de um balanço de

energia ao gás numa dada camada com altura ∆z [5]:

� ��(PQ��RST − ��RSTUVW + L'�MNO − =(L'�MNO) − Xℎ Y��RST + ��RSTUV2 − ��[ − \�(��#�� = 0 (6)

A resolução desta equação tem por objectivo retirarem-se os valores de ��RSTUV de forma a poder

traçar o perfil da temperatura do gás (produtos de combustão) em função da altura do forno.

O primeiro termo da equação traduz a evolução da temperatura do gás ao longo da altura do forno e

representa o ganho (ou perda) de energia (calor sensível) na camada de gás em estudo.

O segundo termo da expressão corresponde a um ganho de energia para o sistema (gás), atribuído

ao calor libertado no processo de combustão. O valor de L foi assumido variar linearmente ao longo

da altura do forno e representa a percentagem de calor de combustão utilizada para cada camada de

gás/esferas, ∆z. O valor do calor total de combustão foi calculado através da eq.(7).

'�MNO = � �á�^�_��!`�a (7)

O valor do PCS (poder calorífico superior) é de 47,3 MJ/Kg, e foi retirado da sala de comando da

fábrica da Lusical.

O terceiro termo representa uma perda de energia para o sistema (gás), na medida em que se trata

de uma energia responsável pela troca de calor entre o gás e as esferas de cada camada, e que tem

como principal objectivo alimentar a reacção química de libertação do dióxido de carbono da pedra de

calcário para a sua conversão em cal. Como foi explicado anteriormente, = assume um valor total de

56%, e tal como o valor de L, também é variável linear ao longo de cada camada ∆z.

O termo convectivo de transferência de calor aparece de seguida, na quarta posição da equação, e

traduz as trocas de calor sensível entre as esferas e os produtos de combustão para aquecimento

das primeiras. Para a temperatura da superfície das esferas ��, é assumida uma variação linear entre

900ºC e 950ºC no processo de aquecimento e uma variação, também linear no arrefecimento de

950ºC para 920ºC. Estes valores utilizados foram escolhidos com base nos valores do gráfico da

figura 3.2.

27

Por fim, as perdas energéticas são também contabilizadas na equação dado que as paredes dos

fornos não são adiabáticas. Existem perdas de energia por meio de radiação, condução e convecção

através das paredes refratárias dos fornos, e perdas através dos gases de escape.

Para uma melhor perceção do comportamento da distribuição das temperaturas dentro de uma cuba,

é apresentada na figura 3.2 um gráfico que contém valores teóricos para este processo. Este estudo

já foi considerado no capítulo anterior, mas trona-se necessário realizar uma nova análise destes

perfis de temperatura.

Figura 3.2: Distribuição das temperaturas dentro de uma cuba em função do tempo [2]

Se for estudado apenas o processo onde a cal está a ser produzida, isto é, o processo de

aquecimento onde a combustão é muito mais influente, torna-se necessário dividir o forno em três

zonas distintas. A primeira é onde ocorre o pré-aquecimento, a segunda é onde praticamente toda a

combustão é realizada, e a última é onde se inicia o processo de arrefecimento da cal, utilizando para

tal, ar à temperatura ambiente. Assim, a zona do forno a ter em conta para a modelação é a zona 2,

onde predomina claramente o processo de queima do gás natural para a conversão do calcário em

cal.

A área de cada camada é sempre constante e o termo h, relativo ao coeficiente de transferência de

calor por convecção, é determinado através de uma correlação do número de Nusselt para um

escoamento entre esferas dispostas de forma aleatória [6].

28

Cb = 3.22cdH �⁄ `H �⁄ + 0.117cd4.e`4.e (8)

O número de Reynolds pode ser determinado a partir da eq.(9) [5]

cd = f�bghi (9)

onde d é o diâmetro de cada esfera, bg é a velocidade média intersticial do escoamento, f� é a massa

volúmica do fluido em estudo, gás natural com excesso de ar e i representa a viscosidade cinemática

do mesmo fluido. Esta velocidade pode ser obtida através da eq.(10)

� = f�bgjX (10)

em que j representa o índice de vazios na secção em estudo e A é a secção recta do forno.

O índice de vazios, isto é, a porosidade relativa à disposição das esferas no interior do forno, é

aproximado através da eq.(11)

j = Vlmno − V,pqVlmno (11)

Como a equação anterior permite inferir, assume-se que as esferas estão contidas em cubos (cujo

lado é igual ao diâmetro da esfera), que por sua vez têm as suas faces todas complanares entre si.

Por fim, o coeficiente de convecção pode ser determinado através da eq.(12)

ℎ = r�Cbh (12)

onde r� é a condutividade térmica do fluido exterior, neste caso os produtos de combustão.

3.2. Modelo para as esferas de calcário

A esfera de calcário é assumida como maciça, ou seja, sem porosidade, e o seu perfil de temperatura

ao longo do tempo, e a variar no espaço, é obtido através do seguinte balanço [5]

f��(,��s��st = 1

�ss Yr�� s��s [ (13)

29

Neste modelo é assumido que:

• As variações de temperatura no interior da esfera na direção radial são desprezáveis durante

o processo de calcinação, só existindo quando esta está completada;

• As pedras de calcário admitidas no forno são de formato esférico;

• Não existe geração de calor no interior da esfera;

• A massa volúmica f��, o calor específico �(,��, a condutibilidade das esferas r�� e a sua

dimensão são constantes;

A primeira hipótese foi assumida partindo do princípio que todo o calor que chega à esfera é usado

para a reacção de conversão enquanto houver calcário para converter. r�� toma o valor do

coeficiente de condutibilidade térmica da cal, dado que para efeitos de transferência de calor se

assume que a pedra de calcário está completamente convertida em cal, com 0% de teor de dióxido

de carbono.

Como foi descrito inicialmente no processo de calcinação, as esferas vão caindo por gravidade à

medida que se convertem em cal até, por fim, saírem do forno. No presente modelo, a velocidade de

descida das esferas foi assumida como sendo constante, e o seu valor foi determinado pelo

quociente entre a altura da zona de combustão do forno (3 m) e o tempo de permanência das esferas

nessa zona, que corresponde ao tempo de um ciclo (600 seg).Desta forma, foi possível determinar a

velocidade de descida a que a pedra está sujeita, que tem o valor de 5 mm/seg. Esta velocidade tem

um papel bastante importante no processo de calcinação pois as esferas têm de ser submetidas a

elevadas temperaturas durante um determinado período de tempo para que seja libertado todo o

dióxido de carbono do interior das mesmas.

De forma a avaliar o processo de condução de calor em regime transiente, foram analisados os

valores de Bi (nº de Biot),

uv = ℎ4r (14)

e Fo (nº de Fourier).

w = xt4� (15)

O número de Biot, para um determinado objecto, relaciona as trocas de calor provenientes de

transferência de calor convectiva com as provenientes da transferência de calor condutiva, conforme

é descrito na equação (14). O valor de 4 representa o comprimento característico do objecto em

estudo, ou seja, o raio da esfera de cal.

O número de Fourier é um termo adimensional e caracteriza, para um determinado objecto e num

determinado instante, a capacidade deste conduzir energia através de difusão térmica e armazena-la.

O termo x é precisamente o coeficiente de difusão térmica.

30

De maneira a enquadrar os valores e para que se possa recorrer como solução ao método da

capacitância global, é necessário que Bi < 0,1. Devido a este processo de transferência de calor ser

predominantemente convectivo, pode concluir-se que não é possível a utilização do método referido

e, não podendo assumir como desprezáveis os gradientes de temperatura no interior da esfera,

recorreu-se a outro tipo de solução. Para o tempo de ciclo, assumido anteriormente com uma duração

de 10 min, Fo será sempre maior que 0,2 e, assim, torna-se possível recorrer à solução aproximada,

para o caso de uma esfera descrita abaixo [5]

y∗ = �H expQ−~H�wW 1~H∗ �v�(~H∗) (16)

Devido ao facto das esferas acumularem a energia proveniente dos produtos de combustão através

da sua superfície (condição de fronteira), o estudo da temperatura da esfera recai então apenas

sobre a sua superfície. Assim, considera-se sempre que r*=1.

Após o cálculo de θ*, e sabendo que esta variável é calculada através da eq.(17)

y∗ = �� − ��B − �� (17)

onde �� representa a temperatura dos produtos de combustão onde a esfera está imersa, �B representa a temperatura inicial da esfera e �� a temperatura da superfície da esfera ao longo do

forno, pode obter-se o valor de ��. Este valor deverá corresponder, para uma certa camada i, ao valor

de �B na camada i+1 seguinte.

31

4. Apresentação e discussão de resultados dos model os

Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados obtidos nos modelos descritos

anteriormente, para diversos casos de teste, de forma a avaliar os perfis de temperatura das esferas

e dos produtos de combustão quando aquelas são submetidas a elevadas taxas de aquecimento

através da queima de gás natural.

Esta discussão tem por objectivo uma análise do perfil das temperaturas, quer das esferas quer dos

gases de combustão, no interior do forno. Os modelos apresentados no capítulo anterior são de

carácter informativo e descritivo, na medida em que fornecem informação térmica acerca do processo

de calcinação e tornam possível descrever o comportamento do forno de acordo com as hipóteses

usadas e, no caso das mesmas serem plausíveis, poderem dar indicações sobre eventuais melhorias

do processo, fazendo variar certos parâmetros que o afectam directamente.

Os modelos utilizados, como já foi referido, sofreram bastantes simplificações ao nível da sua

concepção, quer por desconhecimento físico-químico de temperaturas específicas ou taxas de

reacção ao longo do processo, quer por negligência de termos nas equações que poderiam ter

afectado de forma significativa os resultados. Por desconhecimento das taxas de velocidade de

reacção da conversão do calcário em cal, foi assumido que a esfera inicia o seu aquecimento devido

às elevadas temperaturas dos gases apenas no final de toda a conversão estar completa. Na

realidade, à medida que o processo de calcinação se aproxima do núcleo da esfera, esta vai

aquecendo a partir da sua superfície ajudando assim a reter mais calor no seu interior para facilitar o

processo. Outro factor muito importante que não foi tido em conta no balanço da fase gasosa foi a

energia libertada a partir da esfera devido à libertação do CO2 ao longo da calcinação. Como foi

referido nos capítulos iniciais desta dissertação, a esfera, no final do processo de calcinação, perde

44% da sua massa devido à libertação de todo o seu CO2 o que é um valor elevado. Desta forma,

foram assumidos alguns valores, coerentes com os valores reais, nomeadamente da temperatura das

esferas no interior do forno para que o modelo fizesse sentido e estivesse também lógica e

fisicamente coerente.

4.1. Condições de fronteira e outros valores pré-de finidos

O ponto de partida para o desenvolvimento do modelo passa por definir os valores que podem ser

conhecidos a priori através das condições de fronteira, parâmetros geométricos e indicadores pré-

definidos. O forno encontra-se dividido em 60 camadas de esferas, de altura ∆z cada uma, como

referido anteriormente. Durante o processo de produção de cal, só é possível conhecer valores no

início e no final do forno. Todos os restantes valores serão estimados a partir do modelo

desenvolvido. Assim, no início do processo de combustão (z=0) temos:

• ��RS� = 1000º�- Temperatura de entrada dos produtos de combustão no forno;

• ��RS� = 900º� - Temperatura de entrada das pedras de calcário no forno.

32

No final da zona de combustão, em z=3 m, temos:

• ��RS�� = 920º� – Temperatura de saída das pedras de cal do forno.

De acordo com o estudo dos fornos realizado na fábrica, foi possível retirar os seguintes valores:

• � �á��MNO = 0,278/� - Caudal mássico de gás natural utilizado na combustão;

• � = 1,05 - Coeficiente de excesso de ar (e) de 5%, que em conjunto com o caudal de gás de

combustão, através da equação da razão ar-combustível – eq. (18), indica o caudal mássico

total de reagentes influentes no processo de combustão

� �� = �1 + d100� 9,52 �28,9716,04� � �á��MNO (18)

Através da eq. (18) pode saber-se o caudal total da fase gasosa no forno:

� _M_�! = 3,878/�

É bastante conveniente que a combustão seja realizada de forma estequiométrica, mas para efeitos

de emissão de poluentes o coeficiente de excesso de ar pode variar entre 1 e 1,1 de forma a não

afectar significativamente o processo de calcinação.

Foi também calculado o valor para o coeficiente de convecção h através da eq. (12), onde se chegou

a um valor de 31,15 W/m2.K

Assume-se ainda, como referido anteriormente, que 56% da energia fornecida através da combustão

foi dispensada para o processo de conversão do calcário em cal, e que esta conversão está

totalmente concretizada 1,7 m após a pedra de calcário dar entrada no forno.

4.2. Modelo para a fase gasosa

Dados os parâmetros já apresentados, assim como as condições de fronteira e do próprio

escoamento, apresenta-se o gráfico da figura 4.1, que mostra os perfis de temperatura dos produtos

de combustão e das esferas de calcário no decorrer do processo de calcinação, na zona de

combustão de um forno.

33

Figura 4.1: Perfil de temperatura para o gás natural , a azul, e para a superfície da esfera, a roxo

O comportamento dos perfis de temperatura desenhados no gráfico da figura 4.1 traduz o processo

de queima e consequente transformação da pedra de calcário em cal. As curvas apresentadas

traduzem esse comportamento de forma já esperada sendo assim possível, visualmente, avaliar as

temperaturas no interior do forno.

Verifica-se que o gás, assim que entra no forno, tem um aumento significativo de temperatura

resultante da combustão, acumulando energia, de forma a fornecê-la às esferas de modo a que seja

feita a transformação do calcário em cal. Sendo a reacção endotérmica, essa energia é usada pelas

esferas até que se complete o processo de calcinação, em z=1,65 m. Assume-se que a temperatura

das esferas permanece constante durante o processo de calcinação, dado que se considerou a

hipótese do calor nesta fase ter o mesmo efeito do calor latente. Após a conversão em cal estar

completa, inicia-se então o processo de transferência de calor por parte dos produtos de combustão

para as esferas de cal, que provoca um aumento da sua temperatura, e posteriormente, as esferas

vão descendo a temperatura juntamente com o gás. Esta última fase de transferência de calor,

quando teoricamente as esferas já não possuem qualquer teor de dióxido de carbono, corresponde

na realidade a uma fase de purificação de cal, isto é, na realidade, as pedras de cal não estão 100%

convertidas e é necessário continuar a fornecer energia para que se libertem as últimas quantidades

de CO2 retidas no núcleo das pedras.

4.3. Modelo para as esferas de calcário

Para as esferas de calcário, a figura 4.2 apresenta o perfil de temperaturas do gás e o perfil de

temperatura da superfície das mesmas, à semelhança do que foi feito no modelo anterior, mas em

função do tempo de ciclo de combustão, uma vez que se está a utilizar o modelo referente ao balanço

de energia à esfera.

34

Figura 4.2: Perfil de temperaturas do gás natural e da superfície das esferas em função do tempo de cic lo de combustão

Nota: O tempo total do ciclo de combustão, 600 segundos, corresponde ao tempo necessário para as

esferas percorrerem os 3 m do forno na zona de queima.

As curvas obtidas têm o mesmo comportamento das do modelo anterior, previsivelmente, apesar de

se ter sido utilizado outro método de cálculo. Contudo, verifica-se que a subida da temperatura das

esferas é muito mais abrupta neste modelo e que o seu valor atinge um máximo na ordem dos

1100ºC.

Por forma a compatibilizar os dados tratados nos dois modelos, surge a necessidade de convergir os

seus valores das temperaturas para que os mesmos sejam o mais semelhante possível e para que os

modelos sejam coerentes, física e quimicamente.

4.4. Ligação entre os dois modelos

Este subcapítulo tem por objectivo descrever o processo para aproximar o mais possível os perfis de

temperatura dos dois modelos apresentados para que os seus respectivos valores, em cada ∆z e

para cada 10 segundos, sejam coincidentes. Assim, na figura 4.3, representam-se os dois perfis de

temperatura em questão.

35

Figura 4.3: Convergência dos dois modelos

O gráfico da figura 4.3 representa os perfis de temperatura dos gases de combustão e das esferas de

cal, o mais coincidentes possível e que, supostamente, descreve o funcionamento dos fornos da

fábrica da Lusical. Todas as melhorias necessárias serão realizadas a partir destes perfis

convergidos. Em geral, os valores das temperaturas enquadram-se dentro dos valores reais do

processo na medida em que os gases de combustão à saída da zona de combustão e,

consequentemente, à entrada do canal de ligação entre cubas atingem temperaturas na ordem dos

1000ºC e as esferas de calcário dentro do forno, na zona de queima, estão sujeitas a temperaturas

muito elevadas, na ordem dos 1200ºC o que lhes provocará um aumento elevado e repentino de

temperatura logo após estar concluída a sua conversão em cal.

Verifica-se, no entanto, que a temperatura das esferas após o final da combustão atinge valores que

são algo elevados quando comparados com os valores reais, valores estes que podem mesmo ser

possivelmente prejudiciais à qualidade final do produto. De facto, acima de 1150ºC pode dar-se o

risco de ocorrer recristalização nas esferas de cal que diminui a sua reactividade assim como as suas

propriedades materiais que diminuem a sua qualidade final, que pode não estar de acordo com o

pedido pelos clientes da Lusical.

De forma a melhorar o aspecto descrito no parágrafo anterior bem como os valores do consumo

energético neste processo (objectivo inicial do estágio), proceder-se-á a uma análise de alterações de

alguns parâmetros que podem influenciar, ou não, de forma significativa os resultados esperados pelo

modelo. É de relembrar que as alterações serão realizadas ao nível dos parâmetros do modelo

concebido que, embora pretenda descrever o processo real, contem aproximações que podem ser

discutíveis.

36

4.5. Variação dos parâmetros do processo produtivo

Anteriormente foi apresentado o comportamento do perfil de temperaturas do gás e das esferas de

cal, no que diz respeito aos parâmetros nominais de funcionamento utilizados diariamente na fábrica

da Lusical. Neste subcapítulo, serão apresentados resultados derivados de algumas variações de

certos parâmetros relativos ao escoamento de forma a avaliar se as condições permanecem

favoráveis ou se afectam significativamente o processo de calcinação.

A primeira condição que se pretende estudar, e que vai de encontro ao pressuposto do programa

GALP 20-20-20, é variar o caudal mássico de gás natural. O consumo de gás natural é o principal

responsável pelos exagerados consumos energéticos na fábrica e, como tal, torna-se necessário

estudar o processo da conversão do calcário em cal para o mínimo consumo possível.

De forma a entender as necessidades energéticas mínimas na produção de cal, para mais tarde

avaliar se as soluções são ou não viáveis, apresentam-se na tabela 4.1 os valores referentes a essas

mesmas necessidades por cada ciclo de combustão, de 600 segundos:

Energia [KWh/Kg cal] Massa volúmica da

cal [Kg/m3]

Volume de uma esfera

de cal [m3]

Nº total esferas no

forno

1,11 2600 6,5E-05 169620

Tabela 4.1: Valores indicativos das necessidades en ergéticas dos fornos [5]

Desta forma, multiplicando todos os valores da tabela 4.1, facilmente se obtém uma necessidade

energética para o processo de calcinação, e considerando o tempo de cada ciclo de combustão,

obtém-se a potência de 5,3 MW por ciclo. O que foi considerado para efeitos de modelação

corresponde a um valor de 9,46 MW por ciclo calculado através da eq.(7) o que sugere um gasto

desnecessário de energia.

4.5.1. Variação do caudal mássico do gás natural

Inicialmente está considerado um caudal mássico de gás natural de 0,2 Kg/s conforme valores

médios retirados da sala de comando da fábrica. Para efeitos de melhorias energéticas, com o valor

de 5,3 MW como limite óptimo, foi elaborada a tabela 4.2 onde apenas foi variado o caudal mássico

de gás natural à entrada do forno.

37

Caudal

mássico de

gás [Kg/s]

Q combustão

[MW]

Q combustão

com 10%

perdas [MW]

Percentagem de

energia utilizada

na calcinação [%]

0,2 9,46 8,51 56

0,195 9,22 8,3 57,5

0,19 8,99 8,1 59

0,18 8,51 7,66 62,3

0,16 7,57 6,81 70

0,14 6,62 5,96 80

0,13 6,15 5,54 86,2

0,12 5,67 5,1 93,4

Tabela 4.2: Optimização de valores do caudal mássic o de gás natural à entrada do forno

O caudal mássico de gás natural admitido no forno tem uma influência muito grande na percentagem

de energia utilizada na calcinação (eficiência do processo), na medida em que quanto menor for o

seu valor, maior será a percentagem de energia aproveitada para realizar o processo de forma mais

eficiente. Estes valores estão referenciados na última coluna da tabela 4.2.

Como se pode observar, através da consulta da tabela acima, e como esperado, os valores para o

calor de combustão são muito sensíveis a variações muito ligeiras dos valores de caudal mássico de

gás natural. Através dos valores obtidos, contemplando as perdas de energia de 10% do total de

energia utilizada, verifica-se que o valor mínimo de caudal de gás natural admitido no forno para que

ocorra calcinação nas devidas condições é de 0,13 Kg/s, pois abaixo desse valor, a energia

disponível para a calcinação (5,1 MW) é manifestamente insuficiente.

O perfil das temperaturas do modelo, para o caso aparentemente mais favorável é apresentado na

figura 4.4.

38

Figura 4.4: Hipótese de caudal de gás natural à ent rada do forno de 0,13 Kg/s

Apesar de ser idealmente uma hipótese para um baixo consumo de gás natural, com uma redução

bastante significativa em termos de energia e de custos para a empresa, um caudal de 0,13 Kg/s não

se torna viável fisicamente, de acordo com o modelo utilizado. Ao observar o gráfico da figura 4.4,

verifica-se que a temperatura do gás desce abaixo da temperatura das esferas, o que é impossível.

Isto acontece devido ao baixo consumo de gás natural implicar que praticamente toda a energia

fornecida para o processo seja despendida na reacção de calcinação. Como a temperatura das

esferas é suposto manter-se inalterável durante praticamente todo o ciclo de combustão, isto obriga a

que os gases de combustão desçam em demasia a sua temperatura de forma a repor o equilíbrio

térmico. Assim, conclui-se que o processo de conversão do calcário em cal tem de ser realizado o

mais depressa possível, e o mais perto possível da zona de queima.

Desta forma, a solução da tabela 4.2 que sugere os melhores resultados é a referente a um caudal

mássico de gás natural de 0,195 Kg/s. A figura 4.5 mostra o comportamento das curvas de

temperatura para este caso:

39

Figura 4.5: Hipótese de caudal de gás natural à ent rada do forno de 0,195 Kg/s

As temperaturas dos gases e das esferas logo após a combustão atingem valores bastante próximos,

delimitando assim a zona máxima para que ocorra a calcinação.

Como foi referido, a energia utilizada depende fortemente do caudal de gás natural admitido no forno,

e uma variação de 5 g/s pode parecer insignificante mas resulta numa poupança de 360 Kg de gás

natural, por forno, no final de um dia de produção, (que equivale a cerca de 20 horas) e de 10,8

toneladas, por forno, no final de um mês.

4.5.2. Variação do coeficiente de excesso de ar

A variação do coeficiente de excesso de ar também tem algum peso na variação do caudal mássico

total. No entanto, essa variação não tem praticamente nenhuma influência no processo de calcinação

pois este parâmetro tem de ser bastante controlado diariamente para que os seus valores se

compreendam entre 1 e 1,1 de forma a não prejudicar a conversão do calcário. Uma combustão com

uma mistura ar/fuel pobre, com � elevado, produz uma chama mais pequena do que uma combustão

mais rica, neste caso com � = 1. Este tipo de fornos em estudo, são muito sensíveis ao coeficiente de

excesso de ar na medida em que uma chama mais pequena, e consequentemente mais quente,

reduz a reatividade do forno. Assim, os valores de � devem estar compreendidos entre 1 e 1,1 como

se pode constatar na figura 4.6.

40

Figura 4.6: Temperaturas de calcinação em função do coeficiente de excesso de ar [3]

Como se pode observar na figura 4.6, onde a linha verde representa a combustão realizada a partir

da queima de gás natural, um coeficiente de excesso de ar superior a 1,1 faz com que a temperatura

de calcinação (das esferas) desça abaixo de 835ºC. Este valor (835ºC) é a temperatura mínima para

que se realize a calcinação e é a temperatura que se consegue alcançar devido ao mecanismo dos

fornos de inversão das cubas explicado no início desta dissertação. O ideal para este processo é uma

combustão estequiométrica dado que uma chama muito longa e pobre iria implicar um fornecimento

de mais energia ao forno através de um consumo excessivo de gás natural.

Desta forma, considera-se que esta reacção seja realizada o mais próximo possível das condições

estequiométricas, isto é, com � = 1. A figura 4.7 apresenta o gráfico que traduz os perfis de

temperatura assumindo estequiometria da reacção.

41

Figura 4.7: Reacção estequiométrica e com caudal má ssico de 0,195 Kg/s

Não sendo um parâmetro muito influente na reacção e dado que as alterações foram pouco

significativas, as curvas permanecem praticamente idênticas às do subcapítulo anterior.

4.5.3. Variação da granulometria das pedras admitid as no forno

No início deste trabalho foi referido que a dimensão das pedras de calcário convertidas em cal não

tinha qualquer influência no consumo excessivo de gás natural, isto é, qualquer que fosse a dimensão

das esferas admitidas no forno, a mesma quantidade de energia seria requerida para o processo. No

modelo isso é, de facto, verificado, pois a única alteração que é necessária é a constante redefinição

da altura ∆z à medida que se altera o diâmetro das esferas não afectando, portanto, mais nenhum

parâmetro relacionado com a combustão. Através de algum conhecimento nesta matéria, adquirido

ao longo do estágio, é possível analisar que esferas de menor diâmetro demoram menos tempo a

calcinar do que esferas de diâmetros maiores. No entanto, os fornos estão constantemente cheios de

pedra no seu interior, seja de granulometrias muito pequenas ou muito grandes, permitindo concluir

que a única variação que pode afectar a energia utilizada é a variação de volume do próprio forno, ou

até mesmo uma redução significativa da produção diária de cal. Estas informações obtidas na fábrica,

foram baseadas em testes e em experiências realizadas nos 5 fornos há alguns anos, suportando

assim os raciocínios acima evidenciados.

4.5.4. Variação do coeficiente de convecção térmica (h)

Outro parâmetro bastante influente neste processo, e ao qual o modelo também é particularmente

sensível, é o coeficiente de convecção térmica. Este coeficiente depende directamente, como referido

anteriormente na equação (12), do número de Nusselt e do diâmetro das esferas e indirectamente de

42

outros parâmetros como por exemplo o caudal mássico de gás natural admitido no forno e o

coeficiente de excesso de ar. Ao variar estes parâmetros, como atrás exposto, o coeficiente de

convecção h foi ligeiramente afectado pois houve uma variação ligeira na velocidade intersticial, que

por sua vez provoca alterações no Re e que afecta portanto o valor de Nu. De forma a não alterar a

malha da modelação, e dado que na realidade não há nenhum benefício energético, foi considerado

constante o diâmetro das esferas de cal e foi assumido o caudal de gás natural considerado como

óptimo (0,195 Kg/s) que faz com que se mantenha constante a velocidade intersticial do escoamento.

Como o Nu depende de Pr e Re, e estes últimos dependem das propriedades físico-químicas do

material e do meio, e dado que se assumem constantes os parâmetros atrás referidos, não é possível

variar h, pelo que se conclui que o valor apresentado de 31,15 W/m2.K é o valor optimizado para este

processo.

4.5.5. Variação do valor das perdas de energia

As perdas de energia consideradas para efeitos de modelação foram de 10% do valor da energia total

despendida na combustão. Este valor é da ordem de grandeza do valor calculado e apresentado no

capítulo 2 para os fornos 5 e 7 (fornos cujo processo de queima é exclusivo à queima de gás natural)

e é um valor perto do real para o actual funcionamento dos fornos da fábrica. Estas perdas de energia

contabilizam os desperdícios através das paredes dos fornos por condução, convecção e radiação, e

ainda nos gases de escape. Este parâmetro é necessariamente uma condição obrigatória para

qualquer processo de transferência de calor na medida em que nenhuma fonte de produção de

energia consegue utilizá-la de forma útil a 100%, e como tal deixa muito pouca margem a eventuais

melhorias. Na modelação foi considerado que 75% das perdas são contabilizadas durante a altura do

forno correspondente à combustão (até ∆z=1,65m), 20% são contabilizadas apenas durante o

período em que a esfera recebe calor dos gases logo após a combustão (∆z=1,7m até ∆z=1,8m) e os

restantes 5% até ao final da zona de combustão do forno (∆z=3m). Contudo, e a título de avaliação

do comportamento do modelo, a figura 4.8 ilustra um cenário onde as perdas energéticas não se

encontram contabilizadas.

43

Figura 4.8: Perfil de temperaturas com 0% de perdas de energia

Como era de esperar, a temperatura do gás sobe significativamente durante o processo de

combustão dado que a energia prevista como não útil faz agora parte do processo. Esta situação

utópica permitiria, entre outras coisas, uma redução ainda mais significativa do caudal mássico de

gás natural que se traduziria numa poupança energética bastante considerável. Como na realidade

estas perdas são inevitáveis, têm de ser tidas em conta e com o valor de 10% (valor mínimo dentro

da ordem de grandeza real).

De forma a tornar o perfil de temperatura dos gases de combustão um pouco mais suave e o mais

descritivo possível à semelhança da realidade do processo, considerou-se que as perdas energéticas

na zona de queima tenham um valor de 74%, logo após a zona de queima tenham um valor de 1%

dado que se trata apenas de uma altura de 10cm e que as perdas a partir dessa zona até ao final da

zona de combustão do forno possuam um valor de 25%. Desta forma, e através da figura 4.9, é

apresentado o gráfico com os resultados finais que traduzem o processo de calcinação o mais

semelhante possível com a realidade.

44

Figura 4.9: Resultados finais

45

5. Conclusões

Neste capítulo resumem-se as principais conclusões do trabalho realizado, quer no estágio realizado

na fábrica da Lusical (com o objectivo de estudar o consumo energético dos fornos e o consumo

eléctrico da secção de fabrico de cal hidratada), quer posteriormente na elaboração desta dissertação

(concepção de modelos que descrevem os mecanismos de transferência de calor do processo de

calcinação). Em ambos os casos, as conclusões acabam por convergir no mesmo tema que se

prende com a poupança de energia no processo de fabrico de cal.

5.1. Conclusões do estágio na Lusical

O estágio desenvolvido durante 6 meses nas instalações da Lusical permitiu seguir de perto uma

indústria que, apesar de possuir uma área física relativamente pequena, é de extrema importância a

nível de produção mundial e a nível de consumos energéticos. Como tal, o trabalho na fábrica passou

por realizar um estudo ao funcionamento dos 5 fornos e tentar solucionar eventuais alterações para

que os consumos de combustíveis (sobretudo o gás natural) reduzissem, e por optimizar os

consumos eléctricos na secção de produção de cal hidratada.

Relativamente aos consumos eléctricos na secção de cal hidratada, tendo em conta a inexistência de

um plano optimizadopara o seu funcionamento, o estudo recaiu sobre uma análise detalhada dos

horários em que os custos de eletricidade são mais baixos (horas de vazio) e tentar evitar ao máximo

as horas de ponta. Assim, foi possível reduzir em 48% os custos de electricidade por mês nesta

secção, comparativamente aos custos nos meses de Janeiro e Fevereiro de 2014. Esta nova medida

passa por dar preferência ao funcionamento desta secção durante os períodos nocturnos (horas de

vazio), e evitar os períodos de ponta, como inícios de manhã ou fins de tarde, dependendo dos

horários de Verão ou Inverno.

No que diz respeito à poupança de combustíveis, nomeadamente de gás natural, foi impossível

propor medidas de melhoria. Apesar de ter sido elaborado um balanço de energia para cada forno,

onde foram estudadas todas as entradas e saídas de energia, não foi possível chegar a valores que

suportassem o objectivo inicial de obter possíveis melhorias energéticas, mesmo com o apoio dos

engenheiros e de alguns encarregados da fábrica.

5.2. Conclusões sobre os modelos dos fornos

O objectivo da modelação elaborada nesta dissertação foi também avaliar possíveis melhorias a

efectuar no processo de calcinação, embora com mais detalhe que no caso anterior, na medida em

que se construiu um modelo o mais próximo possível da realidade. Foi possível variar parâmetros

directamente relacionados com o processo de calcinação e estudar o comportamento dos perfis de

temperatura quer dos gases de combustão quer das esferas de calcário. Os resultados obtidos e as

46

conclusões tiradas não foram muito diferentes das conclusões obtidas em fábrica. De facto, o

processo de calcinação para o tipo de fornos em questão (escoamento paralelo com cuba de pré-

aquecimento) já se encontra bastante optimizado e, como tal, qualquer alteração mais significativa

nos parâmetros do escoamento pode tornar o processo inviável, como no caso de uma redução muito

ligeira no caudal mássico de gás natural admitido no forno, ou no caso de a combustão ser

demasiado pobre (λ > 1,1).

No entanto, através de uma redução de 5g/s (2,5%) do caudal mássico de gás natural admitido no

forno, o processo apresenta melhorias significativas na medida em que apresenta uma redução

energética de 240 KW por cada ciclo de combustão. No final de cada mês é possível registar uma

poupança de energia na ordem dos 144 MWh, que representa 1.728 MWh ao final de um ano. Esta

implementação traduz uma redução anual energética de 2,67%, o que ainda é um valor considerável.

Com uma redução aparentemente pouco significativa do caudal de gás natural, é notória a redução

na média de temperatura dos gases de combustão durante todo o processo, na medida em que o

valor máximo atingido, cerca de 1200ºC, ocorre em menos locais do forno. Assim, com esta redução

é possível poupar, por mês, cerca de 10 toneladas de gás natural em cada forno. Ao final de um ano,

esta medida representa uma poupança no consumo de 120 toneladas de gás natural, que se traduz

numa poupança em termos financeiros para a Lusical de 75.000 €, admitindo um custo mensal de

gás natural de 950.000 € (valor mensal médio retirado de documentação da fábrica).

Outro aspecto, não relevante em termos de poupança de combustível mas bastante importante para

o processo de calcinação, prende-se com a qualidade da reacção. Esta deve ser, sempre que

possível, realizada dentro dos parâmetros da estequiometria porque permite uma combustão mais

eficiente. Com um coeficiente de excesso de ar muito elevado a temperatura inicial das esferas de

calcário desce abaixo da temperatura de início de calcinação e seria necessário introduzir mais

energia no forno para compensar esta perda.

47

6. Referências

[1] S, Bruno. 2007. Estudo da produção de óxido de cálcio por calcinação do calcário: caracterização

dos sólidos, decomposição térmica e otimização paramétrica. Dissertação de Mestrado, Universidade

Federal da Uberlândia. Brasil.

[2] Maerz. Fornos de Escoamento Paralelo. Disponível em: https://www.maerz.com, Março de 2014.

[3] Bes, A. 2006. Dynamic Process Simulation of Limestone Calcination in Normal Shaft Kilns. Tese de

Doutoramento, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

[4] Lusical, 1989, documentação interna.

[5] Incorpera, F. P. e Dewitt, D. P. e Bergman, T. L. e Lavine, A. S., 2007. Fundamentals of heat and

mass transfer. 6th edition. John Wiley & Sons, Inc.

[6] Beek, J. 1962. Advances in Chemical Engineering. Vol. 3. Academic Press, New York.

A

Anexo A

A1. Resultados dos balanços de energia aos fornos 2 , 4, 5 e 7

À semelhança do que foi exposto no capítulo 2 desta dissertação, seguem-se os resultados dos

balanços de energia para os restantes fornos da fábrica da Lusical.

Forno 2 – Jan 14

Figura 1: Perdas de energia através das paredes do f orno 2 – Jan14

Figura 2: Perdas de energia através dos gases de esc ape do forno 2 – Jan14

B

Figura 3: Perdas de energia através do desenfornamen to do forno 2 – Jan14

Forno 2 – Fev 14

Figura 4: Perdas de energia através das paredes do f orno 2 – Fev14

Figura 5: Perdas de energia através dos gases de esc ape do forno 2 – Fev14

C

Figura 6: Perdas de energia através do desenfornamen to do forno 2 – Fev14

Forno 4 – Jan 14

Figura 7: Perdas de energia através das paredes do f orno 4 – Jan14

Figura 8: Perdas de energia através dos gases de esc ape do forno 4 – Jan14

D

Figura 9: Perdas de energia através do desenfornamen to do forno 4 – Jan14

Forno 4 – Fev 14

Figura 10: Perdas de energia através das paredes do forno 4 – Fev14

Figura 11: Perdas de energia através dos gases de es cape do forno 4 – Fev14

E

Figura 12: Perdas de energia através do desenforname nto do forno 4 – Fev14

Forno 5 – Jan 14

Figura 13: Perdas de energia através das paredes do forno 5 – Jan14

Figura 14: Perdas de energia através dos gases de es cape do forno 5 – Jan14

F

Figura 15: Perdas de energia através do desenforname nto do forno 5 – Jan14

Forno 5 – Fev 14



G


Forno 7 – Jan 14

Figura 19: Perdas de energia através das paredes do forno 7 – Jan14

Figura 20: Perdas de energia através dos gases de es cape do forno 7 – Jan14

H

Figura 21: Perdas de energia através do desenforname nto do forno 7 – Jan14

Forno 7 – Fev 14



I


J

A2. Análises termográficas dos fornos 1, 2, 5 e 7

A análise termográfica referente aos fornos que não foram apresentados no corpo desta dissertação,

é apresentada abaixo através das seguintes figuras:

Forno 1

Figura 25: zona de pré-aquecimento Figura 26: zona de combustão

Figura 27: zona de desenforn amento

K

Forno 2

Figura 28: zona de pré-aquecimento Figura 29: zona de c ombustão

Figura 30: zona de desenfornamento

L

Forno 5

Figura 31: zona de pré-aquecimento Figura 32: zona d e combustão


M

Forno 7

Figura 34: zona de pré-aquecimento Figura 35: zona de combustão


Na zona de pré-aquecimento, nomeadamente na zona de introdução das lanças, há perdas de

energia muito elevadas devido à enorme quantidade de energia admitida através das mesmas.

Também devido ao difícil isolamento térmico nos tampões onde se encontram as lanças (visível nas

figuras) as temperaturas nas paredes registam valores acima dos 250ºC à semelhança dos valores

apresentados para o forno 4. A zona de combustão é a zona que apresenta melhor isolamento

térmico a nível de material refratário porque a qualidade dos tijolos nesta zona é superior à do

restante forno devido à elevada energia acumulada. A zona de desenfornamento é a que apresenta

menores valores de temperatura nas paredes devido ao facto de a temperatura nesta zona ser mais

baixa. Contudo, no canal de ligação entre as cubas (também visível nas figuras), a temperatura na

parede é mais elevada dado que os gases de combustão circulam a temperaturas na ordem dos

1000ºC.

Caracterização e modelação de um forno de produção de calAos meus amigos do IST que me...

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