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Tipos de Fornos

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Text of Tipos de Fornos

CEMENT KILNS1. Histria dos Fornos de CimentoFornalhas verticais e formas simples de fornos tipo chamins tem sido utilizados para a queima da cal desde 2.000 anos, na poca do Imprio Romano. A histria nos conta como esta civilizao empregava fornalhas verticais para a queima de uma cal pozolnica.

Perto de Riverside na California ainda se pode ver os restos de uma fornlha subterrnea na qual os fundadores Mexicanos queimavam calcrio para produzir cal durante o primeiro quarto do seulo 19. Fornos verticais do tipo visto na fotografia foram construdos no sudoeste da Califrnia h mais de um sculo.

Restos de fornalhas subterrneas que foram utilizadas pelos colonizadores da California para queima de calcrio para produzir cal.

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Fornos extremamente primitivos ainda permanecem sendo utilizados para a fabricao da cal.

O desenvolvimento dos fornos rotativos provavelmente comeou na Inglaterra em 1877, mas usualmente credita-se a Frederic Ransomme o primeiro forno rotativo bem sucedido, o qual foi patenteado tambm na Inglaterra em 1885. Embora os primeiros fornos de Ransomme fossem a major breakthrough na indstria do cimento, muitos anos se passaram at que o mesmo tenha sido posto em operao com sucesso.

Desenhos da patente de Ransome sobre um forno rotativo de cimento

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Foi devido ao trabalho pioneiro de engenheiros norte-americanos aps poucos ao registro da patente de Ransomme que se retirou os fornos rotativos da sua fase de infncia. O primeiro forno rotativo commercial nos EUA por Hurry e Seaman da Atlas Cement Company entrou em produo em 1895. Fornos verticais com alimentao contnua so atualmente utilizados apenas para queima da cal e outros minerais mas no na indstria do cimento. Os fornos rotaivos substituiram quase completamente os fornos verticais nesta indstria.

Fornos verticais utilizads pela Portland Cement, na Pensilvannia em 1920.

Embora anos atrs os fornos verticais tenham demonstrado menor consuoe trmico e eltrico que os fornos rotativos, o advento dos fornos com pr-aquecedor de ciclones e pr-calcinadores com maior capacidade de produo e melhor eficincia trmica tornaram aparentemente obsoleto o uso de fornos verticais para a queima de clnquer de cimento.

Antigo projeto de forno rotativo

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2. Vertical or Shaft KilnsA cement kiln, which had been installed in the world, was the batch type shaft kiln. In 1952, W.Anselm summarized the economical and technical bases of the current cement shaft kilns with output rates. Subsequently H.Eigen supplied important contributions. A continuous and automatic type of cement shaft kiln was developed in 1959 in Polysius/Loesche in West Germany. A special edition of the magazine ZKG illustrated the process of calculation to vertical cement kilns. Cement product at that time by such modernized cement shaft kilns in West Germany accounted for 26% of the total cement product. The sensible and old vertical kilns (20 m height) used for more than 70 years were, therefore, replaced with modern kilns with larger outputs, 360 to 400 t.p.d, (8 up to 10 m height). However, this figure was reduced to less than 5% in 1970 due the further development of rotary kilns. Although some cement shaft kilns had been operated in Japan, for instance, until 1978, none of them are operated nowadays. Nevertheless, even now some cement kilns of this type are being employed in some countries and they may be installed in developing countries which have a to satisfy their local cement demand.

Modern vertical lime kilns.

Main features of cement shaft kilns are less construction cost and less space requirement. But the following bottlenecks are pointed out: clinker production capacity increase is difficult. fuel consumption is more than rotary kilns.

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available size of raw material is limited.

General view of a vertical lime kiln.

The heat consumption of cement shaft kilns is 900 up to 950 kcal/kg.kl. and the specific output is approx. 125 kg.kl./m3.hr. The modern shaft kiln consists of a metallic cylindrical shell lined with refractory material. An upper lateral opening is installed in order to exhaust the process gases that are troublesome to a dedusting installation. The raw material is fed primarily by means of a rotating table into an opening in the center of the upper covering. This in turn feeds a hopper, which needs regular maintenance and sealing to the hot gases. The material column goes down slowly through the kiln cylinder with a certain speed that depends exclusively on the duration of then calcinations and clinkerization processes. The extraction of the final product is carried out through a rotating drag chain, being that the material is partially cooled by the pressurized combustion air, which is injected by a special fan.

3. Lepol Grate Kiln

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The invention of the Lepol kiln in 1928 was a significant development in the field of the dry production process, when considered from the viewpoint of heat economy, especially under European manufacturing conditions. The term Lepol was created by combining the initial syllables of the inventors name (Otto Lellep) with the companys name Polysius. The latter acquired the patent and continued the development of this process. Until World War II, the drastic reduction in heat consumption by more than 50% resulted in the erection of more than 120 Lepol kilns, with capacities up to 600 t.p.d, and a heat consumption of 950-1000 kcal/kg.kl. (1800 Btu/lb). After 1950, this process was further refined, resulting in the so-called double gas circuit and 300 more Lepol kilns were erected with capacities up to 3000 t.p.d. Simultaneously, the heat requirement was reduced to approximately 800 kcal/kg.kl. (1440 Btu/lb). The main feature of this process is a short rotary kiln working in conjunction with a traveling grate; the grate is covered with a 6-8 thick layer of raw material pellets or granules, penetrated by 1800F hot kiln gases, and heat exchange between kiln exhaust gases and raw material pellets takes place. Pellets on grate are dried and decarbonated, feeding to the kiln. The temperature of the grate exit gases is about 180F. The specific kiln output is 50 to 65 kg.kl./m3.hr.

View of the longitudinal section of a Lepol kiln.

There are two ways in preparation of pellets: one is the way of dry Lepol kiln system and the other is the way of wet Lepol kiln system. The first uses water for pelletizing raw meal, and the latter is one where raw meal slurry is first prepared, filtrated and granulated in a pan pelletizer. Due to the filtering effect of the layer of granules, the dust load of the exit gases is very low; also, the low temperature, as well, as the content of water vapor make the gases ideally conditioned for electrostatic precipitation.

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Lepol Kiln Left: general internal view Right: view of the undergrate compartment.

There are two ways of heat exchanging in the Lepol grate: the single gas circuit and the double gas circuit. With single gas circuit the kiln exhaust gases penetrate the bed of pellets downwards, from where they are withdrawn by suction and led to a dust collector. Fresh air is supplied through the inlet damper to the drying compartment to prevent the bursting of the pellets due to high vapor pressure. This results in heat losses and in higher exhaust gas volume. In a Lepol kiln with double gas circuit fresh air is no longer added. The kiln exhaust gases of approx. 1800F penetrate for the first time the bed of pellets in the first compartment. After passing a set of intermediate dust collection cyclones, the gases enter into the second compartment with a temperature of approx. 750C, where they pass the bed of pellets for the second rime. This results in a considerable reduction of the exhaust gases volume, which finally shows a temperature of 180F. The double gas circuit Lepol kiln was also developed by Allis-Chalmers in USA, thus it is called A.C.L system, too. Despite the enormous expansion of the raw mix suspension preheater kilns, the Lepol kiln remained predominant in cases with special raw materials conditions, such as, e.g., high alkali content, or where raw material properties exclude the preparation of dry raw mix.

4. FORNOS ROTATIVOS 4.1 Fornos Rotativos desenvolvimentoOs fornos verticais, anteriormente descritos, foram amplamente empregados no perodo inicial da fabricao do cimento na Alemanha, Frana. Blgica, Inglaterra e EUA, perodo este compreendido entre o final do sec.19 e incio do sec.20.

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Embora o custo da moldagem dos materiais crus em tijolos bem como da classificao do clnquer fosse considervel em alguns pases a mo de obra no ainda to onerosa e possibilitava colocar no mercado um produto com preo competitivo. Entretanto, nos locais onde os produtores no puderam reduzir seus preos devido ao alto custo da manufatura passou-se a pesquisar um mtodo mais barato de produo, diminuindo o emprego extensivo do trabalho manual. Isto levou ao emprego do uso do forno rotativo que havia sido inventado em 1873 e patenteado em 1885 pelo engenheiro ingls Frederic Ransomme, mas que at ento no tinha sido empregado com sucesso na Inglaterra. Ao mesmo tempo a Atlas Portland Cement Co, iniciou seus trabalhos com um forno tipo Ransomme em Esat Kingston, New York , com materiais midos e posteriormente com uma rocha cimento do distrito de Lehigh, Northampton. Inicialmente houve certa dificuldade e somente aps intensos trabalhos chegouse a uma produo bem sucedida. Determinou-se que devido ao pouco tempo que o material passava pelo processo de calcinao era necessrio moer muito mais fino do que se fazia nos fornos antigos verticais tipo garrafa. Determinou-se tambm que era necessrio adicionar um pouco mais de cal na composio do cru do que anteriormente e umedecer ligeiramente tal mistura crua com gua. Credita-se na histria do cimento a esta empresa e seus tcnicos (Navarro, Giron, Seaman e Hurry) o crdito do desenvolvimento comercial do forno rotativo. Na patente original de Ransomme previa-se o aquecimento do material no forno com gs natural mas o desenvolvimento do projeto tornou possvel o uso do leo combustvel. O uso do carvo mineral ainda no tinha se comprovado como um mtodo bem sucedido naquele tempo (incio do sec.20). O forno rotativo era construdo como um cilindro em chapas de ao (12 a 16mm de espessura) de 1,8 m de dimetro e apenas 12 m de comprimento mas logo determinou-se ser mais econmico operar com fornos de 18m de comprimento. As chapas eram unidas atravs de juntas simples, pois as mesmas resistem melhor expanso trmica. O forno era suportado com uma ligeira linclinao em relao horizontal sobre dois anis de ao calandrado com uma espessura minima de 100 mm (4) e uma largura de 150 mm (6).

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Este anis no eram fixados ao cilindro do fromo mas eram mantidos de 100 a 150 mm (4a 6) afastados do mesmo por um dispositivos de blocos e placas distanciadores. Cada anel rodava sobre quarto rolos pesados de frico, feitos de ao fundido, que normalmente eram montados em pares sobre rocker. O forno era acionado por um conjunto de uma engrenagem de coroa, normalmente montada em sua parte central, e pinhes que atuavam com seus respectivos motores e redutores.

Os fornos rodavam em diferentes velocidades de acordo coma planta mas normalmente varianvam de 1,5 a 3,0 rpm embora as velocidades mais usuais ficassem de 1,5 a 2,0 rpm.

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A extremidade superior do forno projetava-se em uma caixa tubular feita de tijolos que possuia uma chamin montada em sua parte superior. A caixa possuia uma porta em sua parte inferior para possibilitar a remoo do p que se acumulava ao longo do tempo no seu fundo. O material cru, extrado de pequenos silos ou tremonhas, era alimentado ao forno por meio de uma rosca transportadora montada na arte traseira da caixa em uma distncia adequada do forno para prevenir a queda de materiais do forno sobre a rosca durante a rotao do mesmo. Esta rosca era normalmente conectada ao motor principal do forno de forma que quando este sofresse uma parada automaticamente a alimentao tambm era parada. Quando o forno era alimentado com pasta, esta era bombeada ao forno atravs de um tanque inferior, tanto por uma bomba de pisto ou por ar comprimido. Em alguns casos, a pasta era bombeada atravs de um tubo com um sistema venturi de forma a assegurar uma alimentao constante. A extremidade inferior do forno era fechada por um cabeote no qual o forno se projetava. Algumas vezes este cabeote era estacionrio com portas mveis de tijolos refratrios mas na maioria das vezes o cabeote era montado sobre um dispositivo mvel. A parede frontal do cabeote dispunha de duas aberturas, uma para entrada e suporte do queimador e outra para permitir a observao do forno durante sua operao bem como permitir a insero de barras que permitissem derrubar anis formados no processo. A parte inferior do cabeote era parcialmentre aberta para permitir a queda do clnquer e a admisso do ar de combusto.

4.2 Fornos de Via mida

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Fornos longos de via mida foram introduzidos h cerca 100 anos e so caracterizados por um longo cilindro (L/D = 35 a 45) e uma capacidade especfica bem baixa, somente 0.526 t/m3.24 h. Outra caracterstica importante que so alimentadas com pasta e especialmente projetados para materiais crus cuja natureza e teor de umidade excluem sua possibilidade de operao pelo processo de via seca.

Embora possibilitem uma excelncia no processo de homogeneizao da pasta tem um consumo trmico inevitavelmente alto. Nmeros usuais so de 13001650 kcal/kg.cl, dependendo do teor de gua na pasta, bem como outros fatores tais como qumica das matrias cruas, qualidade do combustvel, etc. A temperatura dos gases na sada de 300-450F e a concentrao de p de aproximadamente 15g/m3. A energia consumida fica em torno de 17-27 HP/ton,cl. contando-se da bacia de pasta descarga do clnquer em seu resfriador. A perda de carga, com o sistema de correntes, de aproximadamente 15,0 a 20,0 mbar. Podem-se empregar dois sistemas para reduzir o contedo de gua na pasta: a. qumico, pela adio de tinners de pasta. b. mecnico, pela secagem parcial da pasta.

Tinners so adicionados pasta para reduzir seu contedo de gua, mantendo simultaneamente a mesma viscosidade. Cada reduo de 1% de gua na pasta aumenta a capacidade do forno em cerca de 1.5%; simultaneamente, a

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necessidade de calor para o clnquer diminui em cerca 1%. Tinners de pasta so alimentados juntos com as matrias cruas e atuam tambm como aditivos de moagem.

Vista geral de uma antiga planta de cimento mostrando 3 fornos de via mida e suas bacias de pasta.

A desidratao mecnica da pasta pode ser feito atravs de fitros apropriados, isto , filtros em tambores ou em discos. Filtros prensas tambm so aplicados formando briquetes com cerca de 18-20% de gua; entretanto, isto requer um custo adicional. Fornos de via mida tem como caracterstica uma boa transmisso de calor na zona de evaporao da gua. Concordantemente, a temperatura de exausto baixa. Para melhora do processo de transmisso de calor e secagem da pasta instalam-se sistemas de correntes na zona de entrada do forno. Alm da tarefa de recuperao de calor entre os gases quentes do forno e a pasta de cr, o sistema de correntes tambm favorece a evaporao da umidade, o transporte do material ao longo do forno e previne a formao de anis de lama.

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Sistema de correntes em forno de via mida.

Sistema de fixao das correntes em forno de via mida.

Os sistemas de correntes no so sistemas mecnicos verdadeiros de secagem, mas na prtica realizam uma quantidade substancial de trabalho mecnico. Em adio aos sistemas de secagem das pastas, muitas vezes so classificados como sistemas mecnicos de secagem. Existem dois sistemas diferentes de correntes: a. cortina de correntes. b. corrente tipo Garland. Na cortina de correntes, as correntes so fixadas em apenas uma extremidade. O comprimento das correntes deve ser aproximadamente 0.7 do dimetro interno do forno. A distncia entre os dispositivos de fixaes das correntes ao longo da circunferncia de 300 mm. Em cortinas menos densas aplica-se uma distncia de 400 a 500 mm. A distncia entre os anis do mesmo porte. Os anis so dispostos verticalmente em relao ao eixo longitudinal do forno.

Cortina de Correntes

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Correntes Garland so fixadas nas duas extremidades, ao longo de uma helicoidal, que forma com o eixo longitudinal do forno um ngulo de 45-60. Em fornos com dimetros menores que 4,0 m, o ngulo deve ser de 45-50; um ngulo de 60 deve ser aplicado em fornos com dimetros superiores a 4,0 m.

Corrente Garland

Uma ou duas sees sem correntes so aplicadas ao longo das zonas de correntes com o objetivo de equalizar as temperaturas dos gases, amortecem as taxas variveis de transporte de material, precipitam o p do forno e permitem a instalao de termopares. Sees de correntes para fornos rotativos de via mida geralmente combinam cortinas de correntes e correntes Garland. Estas ltimas transportam o material mais eficientemente o que extremamente importante para o processo de via mida. Entretanto, cortinas de correntes so muito mais fceis e rpidas de serem instaladas. Alm das sees de correntes, outros dispositivos internos para troca de calor em fornos rotativos de via mida incluem: pr-aquecedores de pastas. secadores de pasta.

Pr-aquecedores de pasta colocados no interior dos fornos rotativos so normalmente localizados antes da seo de correntes.Um tipo amplamente empregado e desenvolvido pela F.L.Smidth Co, visto na figura seguinte. Uma seo transversal metlica (1) divide a rea do forno em quatro compartimentos. Cada conjunto de dois compartimentos localizados em lados opostos so designados de A e B.

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Desenho esquemtico de um praquecedor de pasta da F.L.Smidth.

A pasta que entra no forno, flui atravs do compartimento B ao interior do dispositivo que preenchido com uma carga de corpos metlicos. During the revolution of the kiln, the slurry is lifted by vessels (2), which protrude from the kiln shell. After a half revolution, the slurry flows into the compartments, and then into the kiln towards the chain section. The hot kiln gases enter the slurry pre-heater through the A-compartments and flow through the grid (3) into the B-compartments, from where, after passing a short section of the kiln, they leave the kiln at a low temperature. Os gases passam pelo pr-aquecedor em contra-corrente e aquecem a pasta diretamente; as paredes quentes dos compartimentos bem como o contacto com a carga metlica tambm auxiliam o aquecimento da pasta. Em muitos casos um secadores de pasta especiais so instalados atrs da seo de correntes aps a remoo da umidade remanescente pelo praquecedor da pasta. A prxima figura mostra um secador de pasta. Este tipo tambm chamado de trocador de calor cellular e divide a seo transversal do forno em sete compartimentos, alcanando assim uma troca trmica melhor entre gases e material. Este dispositivo mais caro que instalaes cermicas similares mas, provocam menor perda de carga.

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Soviet cellular heat exchanger of the NIICement Research Institute.

Dependendo do tamanho do forno, instalam-se 8 a 12 destes secadores no interior do mesmo. Suas principais caractersticas so: levantamento da alimentao do forno para melhor mistura com os gases quentes; transferncia de calor das partes metlicas ao material alimentado.

4.2 Long dry process rotary kilnThe long dry process rotary kiln was developed in the USA, since this kiln requires only little operating attendance and is not apt to upset conditions. Originally, these 460-525 ft long rotary kilns were not supplied with internal heat exchangers: this caused exit temperatures of about 1300-1380F.

Painting showing an old work shop for cement kiln fabrication.

Therefore, water spray was applied to reduce the temperature of the exit gas before entering the dust collector. To improve the heat economy, chain sectors were then applied to the long dry process rotary kilns; also metallic cross-installations as well as ceramic heat exchangers were later applied.

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The purpose of these installations is to divide the kiln feed as well the kiln gases into three or four currents respectively, to create a better contact between gas and material and consequently a better heat transfer. Here, also, a higher rate of heat transfer occurs between the ceramic material and the kiln feed.

Trifoil internal ceramic heat exchanger for rotary kilns, also called Dietze-bridge.

Cross-shaped internal ceramic heat exchanger for rotary kilns, also called Azbe-bridge.

The application of internal ceramic installations increases the capacity of the rotary kiln by about 8-12%, decreasing simultaneously the specific heat consumption at an equivalent rate. The temperature of the kiln exit gases is reduced by about 175-212F. Ceramic as well as metallic heat exchanger installations causes a higher pressure drop, which requires a higher electrical energy input for the kilns draft fan. In the gypsumsulfuric acid process, where the presence of SO2 in the kiln gases does not allow the use of metallic heat exchanger, ceramic heat exchanger are usefully applied.

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Ceramic lifters to lift the material in the rotary kiln.

The exit gas temperature of long dry process rotary kilns with chain installations range from 715-750F; with these gases, the raw material required for the kiln, with a moisture content up to 13%, can be dried without any additional heating.

5. Short dry process rotary kilnTo reduce the dust emission, i.e., to relieve the dust collector, as well as to improve the heat economy, long dry process kilns started to be combined with a one stage, raw mix suspension pre-heater. Usually two heat exchanger parallel cyclones were applied.

One-stage suspension preheater.

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With the time being other cyclone stages were added to the pre-heater and nowadays five up to six stages are applied to modern pre-heaters and dry rotary kilns systems. Besides a better heat exchange in the pre-heater itself, between the raw mix and the kiln exit gases, the raw mix is also pre-calcined in the lowest stages and calcinations degrees of 40% to 45% easily are obtained through the raw mix pre-heating to about 1800F. Thanks to excellence of the heat exchange between the dry raw mix and the kiln exit gases the material from the lowest cyclone stage enters the rotary kiln partially precalcined, thus reducing drastically the necessary kiln length to accomplish the final process steps. Ratios of 12 up to 16 (L/D) are the most common figures used nowadays.

Modern dry process dry with two foundations and direct drive.

6. Types of rotary kilnsThe following shows the prevailing types of rotary kilns cylinders. a. straight rotary kiln. b. rotary kiln with enlarged burning zone. c. rotary kiln with enlarged calcining zone. d. rotary kiln with enlarged calcining zone and burning zone. e. rotary kiln with enlarged drying, calcining and burning zone (wet process kiln). f. rotary kiln with enlarged drying or preheating zone (long dry process or wet process kiln).

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Different types of rotary kilns

The aim of the zone enlargement is the extension of the materials residence time in the particular kiln zone; simultaneously it is the intention of decrease the gas velocity for better heat transfer from the kiln gas to the material. However, this causes different transportation times resulting in irregular material passage, thus impairing the kilns operation. In the transition zones from the large to the smaller cross-sections material stowage takes place, causing abrasion and dust. The manufacture of transition pieces is more expensive than that of straight kiln sections. The lining of tapered sections is a complicated and highly consuming job, requiring specially shaped refractory bricks. A kiln shell shaping which is particularly disadvantageous is the narrowing of the kilns discharge end; this results in partial cooling of the clinker in the kiln and in a rapid wear of the refractory in this section.

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Practical experience as well as theoretical deliberations, lead to the observations that rotary kilns without constrictions or enlargements represent currently the most useful kiln construction. The shell of modern pre-heater kilns already shows uniformity throughout the crosssections. Unfavorable experience with rotary kilns of different cross-sections prompted the cement industry of Russia to build rotary kilns with an invariable diameter exclusively.

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