1. História dos Fornos de Cimento

Fornalhas verticais e formas simples de fornos tipo chaminés tem sido utilizados para a queima da cal desde 2.000 anos, na época do Império Romano. A história nos conta como esta civilização empregava fornalhas verticais para a queima de uma cal pozolânica.

Perto de Riverside na California ainda se pode ver os restos de uma fornlha subterrânea na qual os fundadores Mexicanos queimavam calcário para produzir cal durante o primeiro quarto do seçulo 19. Fornos verticais do tipo visto na fotografia foram construídos no sudoeste da Califórnia há mais de um século.

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CEMENT KILNS

Restos de fornalhas subterrâneas que foram utilizadas

pelos colonizadores da California para queima de calcário para produzir cal.

O desenvolvimento dos fornos rotativos provavelmente começou na Inglaterra em 1877, mas usualmente credita-se a Frederic Ransomme o primeiro forno rotativo bem sucedido, o qual foi patenteado também na Inglaterra em 1885.

Embora os primeiros fornos de Ransomme fossem a major breakthrough na indústria do cimento, muitos anos se passaram até que o mesmo tenha sido posto em operação com sucesso.

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Fornos extremamente

primitivos ainda permanecem

sendo utilizados para a fabricação

da cal.

Desenhos da patente de Ransome sobre um

forno rotativo de cimento

Foi devido ao trabalho pioneiro de engenheiros norte-americanos após poucos ao registro da patente de Ransomme que se retirou os fornos rotativos da sua fase de infância. O primeiro forno rotativo commercial nos EUA por Hurry e Seaman da Atlas Cement Company entrou em produção em 1895.

Fornos verticais com alimentação contínua são atualmente utilizados apenas para queima da cal e outros minerais mas não na indústria do cimento. Os fornos rotaivos substituiram quase completamente os fornos verticais nesta indústria.

Embora anos atrás os fornos verticais tenham demonstrado menor consuoe térmico e elétrico que os fornos rotativos, o advento dos fornos com pré-aquecedor de ciclones e pré-calcinadores com maior capacidade de produção e melhor eficiência térmica tornaram aparentemente obsoleto o uso de fornos verticais para a queima de clínquer de cimento.

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Fornos verticais utilizads pela

Portland Cement, na

Pensilvannia em 1920.

Antigoprojeto

de forno

rotativo

2. Vertical or Shaft Kilns

A 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.

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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Modern vertical

lime kilns.

- available size of raw material is limited.

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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General view of a vertical

lime kiln.

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 inventor’s name (Otto Lellep) with the company’s 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.

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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View of the longitudinal section of a Lepol kiln.

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 – desenvolvimento

Os fornos verticais, anteriormente descritos, foram amplamente empregados no período inicial da fabricação do cimento na Alemanha, França. Bélgica, Inglaterra e EUA, período este compreendido entre o final do sec.19 e início do sec.20.

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Lepol Kiln

Left: general internal view

Right: view of the

undergrate compartment.

Embora o custo da moldagem dos materiais crus em tijolos bem como da classificação do clínquer fosse considerável em alguns países a mão de obra não ainda tão onerosa e possibilitava colocar no mercado um produto com preço competitivo.

Entretanto, nos locais onde os produtores não puderam reduzir seus preços devido ao alto custo da manufatura passou-se a pesquisar um método mais barato de produção, 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 inglês Frederic Ransomme, mas que até então não 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 úmidos e posteriormente com uma rocha “cimento” do distrito de Lehigh, Northampton.

Inicialmente houve certa dificuldade e somente após intensos trabalhos chegou-se a uma produção bem sucedida. Determinou-se que devido ao pouco tempo que o material passava pelo processo de calcinação era necessário moer muito mais fino do que se fazia nos fornos antigos verticais tipo “garrafa”.

Determinou-se também que era necessário adicionar um pouco mais de cal na composição do cru do que anteriormente e umedecer ligeiramente tal mistura crua com água. Credita-se na história do cimento a esta empresa e seus técnicos (Navarro, Giron, Seaman e Hurry) o crédito do desenvolvimento comercial do forno rotativo.

Na patente original de Ransomme previa-se o aquecimento do material no forno com gás natural mas o desenvolvimento do projeto tornou possível o uso do óleo combustível. O uso do carvão mineral ainda não tinha se comprovado como um método bem sucedido naquele tempo (início do sec.20).

O forno rotativo era construído como um cilindro em chapas de aço (12 a 16mm de espessura) de 1,8 m de diâmetro e apenas 12 m de comprimento mas logo determinou-se ser mais econômico operar com fornos de 18m de comprimento. As chapas eram unidas através de juntas simples, pois as mesmas resistem melhor à expansão térmica. O forno era suportado com uma ligeira linclinação em relação à horizontal sobre dois anéis de aço calandrado com uma espessura minima de 100 mm (4”) e uma largura de 150 mm (6”).

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Este anéis não eram fixados ao cilindro do fromo mas eram mantidos de 100 a 150 mm (4”a 6”) afastados do mesmo por um dispositivos de blocos e placas distanciadores. Cada anel rodava sobre quarto rolos pesados de fricção, feitos de aço 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 pinhões 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.

A extremidade superior do forno projetava-se em uma caixa tubular feita de tijolos que possuia uma chaminé montada em sua parte superior. A caixa

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possuia uma porta em sua parte inferior para possibilitar a remoção do pó que se acumulava ao longo do tempo no seu fundo.

O material cru, extraído de pequenos silos ou tremonhas, era alimentado ao forno por meio de uma rosca transportadora montada na arte traseira da caixa em uma distância adequada do forno para prevenir a queda de materiais do forno sobre a rosca durante a rotação do mesmo.

Esta rosca era normalmente conectada ao motor principal do forno de forma que quando este sofresse uma parada automaticamente a alimentação também era parada.

Quando o forno era alimentado com pasta, esta era bombeada ao forno através de um tanque inferior, tanto por uma bomba de pistão ou por ar comprimido. Em alguns casos, a pasta era bombeada através de um tubo com um sistema venturi de forma a assegurar uma alimentação constante.

A extremidade inferior do forno era fechada por um cabeçote no qual o forno se projetava. Algumas vezes este cabeçote era estacionário com portas móveis de tijolos refratários mas na maioria das vezes o cabeçote era montado sobre um dispositivo móvel. A parede frontal do cabeçote dispunha de duas aberturas, uma para entrada e suporte do queimador e outra para permitir a observação do forno durante sua operação bem como permitir a inserção de barras que permitissem derrubar anéis formados no processo. A parte inferior do cabeçote era parcialmentre aberta para permitir a queda do clínquer e a admissão do ar de combustão.

4.2 Fornos de Via Úmida

Fornos longos de via úmida foram introduzidos há cerca 100 anos e são caracterizados por um longo cilindro (L/D = 35 a 45) e uma capacidade específica bem baixa, somente 0.526 t/m3.24 h.

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Outra característica importante é que são alimentadas com pasta e especialmente projetados para materiais crus cuja natureza e teor de umidade excluem sua possibilidade de operação pelo processo de via seca.

Embora possibilitem uma excelência no processo de homogeneização da pasta tem um consumo térmico inevitavelmente alto. Números usuais são de 1300-1650 kcal/kg.cl, dependendo do teor de água na pasta, bem como outros fatores tais como química das matérias cruas, qualidade do combustível, etc.

A temperatura dos gases na saída é de 300-450F e a concentração de pó é de aproximadamente 15g/m3. A energia consumida fica em torno de 17-27 HP/ton,cl. contando-se da bacia de pasta à descarga do clínquer em seu resfriador. A perda de carga, com o sistema de correntes, é de aproximadamente 15,0 a 20,0 mbar.

Podem-se empregar dois sistemas para reduzir o conteúdo de água na pasta:

a. químico, pela adição de tinners de pasta.

b. mecânico, pela secagem parcial da pasta.

Tinners são adicionados à pasta para reduzir seu conteúdo de água, mantendo simultaneamente a mesma viscosidade. Cada redução de 1% de água na pasta aumenta a capacidade do forno em cerca de 1.5%; simultaneamente, a necessidade de calor para o clínquer diminui em cerca 1%. Tinners de pasta são alimentados juntos com as matérias cruas e atuam também como aditivos de moagem.

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A desidratação mecânica da pasta pode ser feito através de fitros apropriados, isto é, filtros em tambores ou em discos. Filtros prensas também são aplicados formando briquetes com cerca de 18-20% de água; entretanto, isto requer um custo adicional.

Fornos de via úmida tem como característica uma boa transmissão de calor na zona de evaporação da água. Concordantemente, a temperatura de exaustão é baixa. Para melhora do processo de transmissão de calor e secagem da pasta instalam-se sistemas de correntes na zona de entrada do forno.

Além da tarefa de recuperação de calor entre os gases quentes do forno e a pasta de crú, o sistema de correntes também favorece a evaporação da umidade, o transporte do material ao longo do forno e previne a formação de anéis de lama.

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Vista geral de uma antiga planta de cimento

mostrando 3 fornos de via úmida e suas

bacias de pasta.

Os sistemas de correntes não são sistemas mecânicos verdadeiros de secagem, mas na prática realizam uma quantidade substancial de trabalho mecânico. Em adição aos sistemas de secagem das pastas, muitas vezes são classificados como sistemas mecânicos de secagem.

Existem dois sistemas diferentes de correntes:

a. cortina de correntes.

b. corrente tipo Garland.

Na cortina de correntes, as correntes são fixadas em apenas uma extremidade. O comprimento das correntes deve ser aproximadamente 0.7 do diâmetro interno do forno. A distância entre os dispositivos de fixações das correntes ao longo da circunferência é de 300 mm. Em cortinas menos densas aplica-se uma distância de 400 a 500 mm. A distância entre os anéis é do mesmo porte. Os anéis são dispostos verticalmente em relação ao eixo longitudinal do forno.

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Sistema de correntes em forno

de via úmida.

Sistema de fixação das correntes em

forno de via úmida.

Cortina deCorrentes

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

Uma ou duas seções sem correntes são aplicadas ao longo das zonas de correntes com o objetivo de equalizar as temperaturas dos gases, amortecem as taxas variáveis de transporte de material, precipitam o pó do forno e permitem a instalação de termopares.

Seções de correntes para fornos rotativos de via úmida geralmente combinam cortinas de correntes e correntes Garland. Estas últimas transportam o material mais eficientemente o que é extremamente importante para o processo de via úmida. Entretanto, cortinas de correntes são muito mais fáceis e rápidas de serem instaladas. Além das seções de correntes, outros dispositivos internos para troca de calor em fornos rotativos de via úmida incluem:

- pré-aquecedores de pastas.

- secadores de pasta.

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

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CorrenteGarland

A pasta que entra no forno, flui através do compartimento B ao interior do dispositivo que é preenchido com uma carga de corpos metálicos. 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 pré-aquecedor em contra-corrente e aquecem a pasta diretamente; as paredes quentes dos compartimentos bem como o contacto com a carga metálica também auxiliam o aquecimento da pasta.

Em muitos casos um secadores de pasta especiais são instalados atrás da seção de correntes após a remoção da umidade remanescente pelo pré-aquecedor da pasta.

A próxima figura mostra um secador de pasta. Este tipo é também chamado de trocador de calor cellular e divide a seçào transversal do forno em sete compartimentos, alcançando assim uma troca térmica melhor entre gases e material. Este dispositivo é mais caro que instalações cerâmicas similares mas, provocam menor perda de carga.

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Desenho esquemático de um pré-

aquecedor de pasta da

F.L.Smidth.

Dependendo do tamanho do forno, instalam-se 8 a 12 destes secadores no interior do mesmo. Suas principais características são: levantamento da alimentação do forno para melhor mistura com os gases quentes; transferência de calor das partes metálicas ao material alimentado.

4.2 Long dry process rotary kiln

The 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.

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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Soviet cellular heat exchanger

of the NII-Cement

Research Institute.

Painting showing an old work shop for cement kiln

fabrication.

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.

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 kiln’s draft fan. In the gypsum-sulfuric 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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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 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 kiln

To 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.

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Ceramic lifters to lift the material in

the rotary kiln.

One-stagesuspension preheater.

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 pre-calcined, 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.

6. Types of rotary kilns

The 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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Modern dry process dry

with two foundations and direct

drive.

The aim of the zone enlargement is the extension of the material’s 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 kiln’s 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 kiln’s 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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Different types of rotary kilns

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 cross-sections. 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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