Pré-requisito para emissões mais baixas: Uma sonda especial com um dispositivo de limpeza automática garante medição confiável de gases de combustão em um forno rotativo de cimento.
por Konrad Doering, HeidelbergCement AG e Martin Liebau, ENOTEC GmbH
Entre 2016 e 2018, a HeidelbergCement AG modernizou sua fábrica em Burglengenfeld com o maior investimento individual planejado na história da empresa até o momento, totalizando mais de EUR 100 milhões. O objetivo dessa modernização, que incluiu a compra de um forno trocador de calor, foi reduzir significativamente as emissões, aumentar continuamente a proporção de combustíveis alternativos e garantir uma qualidade de produto consistentemente excelente. Um pré-requisito para atingir esses objetivos é, entre outras coisas, receber dados contínuos e precisos das emissões de gases de combustão do novo forno rotativo de cimento.
Como a câmara de entrada entre o forno rotativo e o pré-aquecedor de ciclone é um dos locais de medição mais exigentes em qualquer fábrica de cimento, a HeidelbergCement decidiu usar a sonda de entrada do forno rotativo CEMTEC, da ENOTEC GmbH, particularmente robusta e confiável. Este sistema de medição para análise de gás foi desenvolvido especialmente para as condições extremas de operação em fábricas de cimento. Graças a um dispositivo rotativo patenteado e limpeza automática, uma medição permanente dos gases diretamente no forno rotativo é possível e, portanto, uma determinação contínua e precisa dos parâmetros necessários.
O projeto de conversão em HeidelbergCement em Burglengenfeld foi executado durante a operação ininterrupta das linhas de forno existentes. Ele incluiu uma nova torre de trocador de calor de 5 estágios com calcinador, um forno rotativo reduzido, duas novas plantas de moagem para calcário com consumo específico de energia significativamente reduzido e um novo filtro de tecido com uma eficiência de separação de quase 100%. Os resultados desta modernização foram a redução das emissões incluindo o cumprimento seguro de todos os valores-limite, o aumento significativo da eficiência energética e a redução das emissões de CO2 devido à melhoria dos parâmetros, bem como uma qualidade consistente do produto.
A única sonda com todas as funções de movimento para operação permanente
A sonda CEMTEC usada em Burglengenfeld para determinar os parâmetros necessários consiste essencialmente na própria sonda de amostragem resfriada por água, um tanque de ar comprimido, um resfriador para a água de resfriamento, o gabinete do trocador de calor, a caixa de controle local e um gabinete de controle com PLC embutido. Uma característica especial da sonda ENOTEC é que é o único dispositivo no mercado que realiza todos os movimentos necessários para uma operação contínua de forma totalmente automática – desde a inserção e retração, a rotação de ± 45 °, o mergulho até a limpeza do pulso. Todos os movimentos são acionados por ar comprimido, de forma que um único método de alimentação garante uma operação segura da sonda. Em caso de falha no fornecimento de ar comprimido, um tanque de ar comprimido de 1.000 l fornece uma reserva suficiente para garantir a extração segura do CEMTEC para fora do forno. Além disso, em caso de falha de energia, um sistema UPS operado por bateria (fonte de alimentação ininterrupta) no gabinete de controle garante que a sonda se retraia para uma posição segura com o apoio do sistema de controle. Além disso, todos os parâmetros importantes para a sonda, como temperaturas e pressões, são monitorados a fim de retrair a sonda do processo em um caso de emergência e, assim, evitar o superaquecimento.
A sonda CEMTEC extrai o gás de amostra do forno rotativo através do tubo de filtro de metal sinterizado interno. O acúmulo de poeira no tubo do filtro e a entrada do gás de amostra é regularmente removido por um êmbolo – isso significa que o tubo do filtro interno é movido regularmente para frente e para trás por dois cilindros pneumáticos para evitar que a farinha crua endureça na ponta da sonda. Isso é crucial para uma análise confiável, pois o endurecimento a quente na entrada do gás de amostra pode diminuir o O2 e o CO medidos pela oxidação do gás de combustão e, assim, falsificar os valores medidos. Todas as funções cíclicas do CEMTEC – mergulho, rotação, purga, retração e inserção – podem ser configuradas de forma variável via Interface Homem-Máquina (HMI) e adaptadas aos respectivos requisitos do sistema de combustão. O gás de amostra é transportado através de tubos de amostragem aquecidos para o gabinete do sistema de análise de gás após ter sido seco e limpo em uma unidade de condicionamento de gás de amostra a montante. Este sistema de medição de análise extrativa a frio adaptado para se ajustar à sonda CEMTEC com condicionamento de gás de amostra otimizado foi comprovado aqui por mais de um ano.
Dados de medição confiáveis desde o dia do comissionamento
A CEMTEC foi instalada pela ENOTEC em Burglengenfeld em março de 2018. A instalação foi concluída em poucos dias sem problemas, de modo que a sonda forneceu de forma confiável o gás de medição desde o primeiro momento de ignição. A fim de minimizar os danos de queda de material na câmara de entrada do forno – um dos maiores riscos para a medição de entrada do forno – a seção curta da sonda que atravessa a câmara de entrada foi adicionalmente protegida por um revestimento refratário, que rapidamente provou seu valor nos processos subsequentes
Operação
A equipe de operação da sonda foi treinado poucos dias após a primeira ignição do forno rotativo. Devido ao teste funcional completo da sonda na fábrica ENOTEC e ao controle amigável ao usuário, os funcionários da HeidelbergCement puderam assumir imediatamente a operação. Como a sonda forneceu valores de medição confiáveis desde o primeiro dia, ela apoiou fortemente o comissionamento e a otimização do forno. “Devido ao retrofit, muitos valores eram novos para nós, mas os valores CEMTEC na câmara de entrada do forno são uma indicação extremamente importante de como o forno está operando. Eles nos permitiram entender rapidamente o forno modificado muito bem”, explica Hamar.
Após aproximadamente um ano de operação, pode ser estabelecido sem dúvida que a sonda e a medição extrativa a frio forneceram leituras confiáveis e representativas sem quaisquer problemas e, acima de tudo, sem muita necessidade de manutenção. Após 12 meses, foi realizada uma manutenção regular anual do sistema, durante a qual apenas o filtro foi trocado e algumas peças de desgaste foram trocadas. No geral, em mais de dois anos de operação, a sonda forneceu gás de amostra de forma confiável por 90% do tempo, permitindo que o forno fosse monitorado e controlado continuamente. Mesmo em um incidente em que os resultados da análise não pareciam plausíveis, o pessoal do turno com o apoio da ENOTEC conseguiu verificar rapidamente se os dados da sonda de entrada do forno estavam corretos e logo em seguida o problema no próprio forno pôde ser identificado. “Com sua sonda CEMTEC, a ENOTEC fornece um dos sistemas mais confiáveis em toda a planta. A necessidade de manutenção é muito baixa e simples”, confirma Norbert Beer, eletricista mestre da HeidelbergCement. “A ENOTEC, por meio de sua comunicação direta e suporte rápido, oferece exatamente os recursos que se esperam de uma empresa de médio porte – algo que muitas vezes não ocorre em grandes empresas.”
Com a ajuda do CEMTEC, a HeidelbergCement foi capaz de atingir todas as metas de modernização em um período muito curto de operação. Agora é mais fácil cumprir os limites mais rígidos para as emissões de óxidos de nitrogênio e amônia, que estão em vigor desde 2019, e a qualidade do produto pode ser mantida em um nível muito alto, apesar do extenso projeto de construção. Além disso, a proporção de combustíveis secundários tem aumentado continuamente e atingirá os 80% designados em breve.
Em foco:
Valores medidos e controlados com a ajuda da sonda CEMTEC em HeidelbergCement em Burglengenfeld
O2 – Em princípio, o teor de oxigênio é regulado com o fornecimento de ar. Muito oxigênio reduz a eficiência do sistema e, portanto, é indesejável. Por outro lado, muito pouco oxigênio cria uma atmosfera redutora que leva ao rápido envelhecimento do revestimento refratário e à baixa qualidade do clínquer. Além disso, pode ocorrer um acúmulo e endurecimento nos ciclones e na câmara de entrada do forno dentro de algumas horas. Isso é causado principalmente pelo enxofre na matéria-prima e cloro nos combustíveis secundários em combinação com muito pouco oxigênio.
Burglengenfeld é, portanto, capaz de evitar o acúmulo no processo, mesmo sem uma medição de análise separada de SO2, pois isso só pode ocorrer com baixo teor de oxigênio.
NOx – Os óxidos de nitrogênio na entrada do forno são um parâmetro de controle muito importante, pois podem estar relacionados à temperatura do forno rotativo e à qualidade do clínquer. Valores altos de NOx, causados por excesso de ar durante a entrada de energia, resultam na deterioração do clínquer e reduzem a eficiência da planta. Valores baixos de NOx, por outro lado, são uma indicação clara de que o forno está sendo queimado de maneira muito fraca e, portanto, a conversão do material na câmara não é mais possível. Se isso não for corrigido a tempo, pode levar várias horas para que o forno finalmente alcance a qualidade normal de clínquer novamente. Um exemplo operacional recente em Burglengenfeld mostrou que um problema no forno foi detectado rapidamente pelo aumento dos valores de NOx – junto com outros parâmetros do processo – na entrada do forno. Sem os valores da sonda de entrada do forno, isso teria demorado consideravelmente.
CO – O CO tem uma certa relação com os NOx. Quando o CO aumenta, o NOx cai automaticamente, já que o CO indica combustão incompleta e, portanto, a temperatura do forno rotativo também cai automaticamente. Com valores de NOx de aproximadamente 1.000-1.200 ppm – conforme operado em Burglengenfeld – o CO na câmara de entrada do forno está sempre abaixo de 1.000 ppm, confirmando uma operação confiável do forno. Se o CO aumentar sem qualquer alteração no NOx, o funcionamento do forno deve ser verificado. Às vezes, os aumentos de CO na câmara de entrada do forno são causados pela queda incompleta do material do combustível do calcinador.
HeidelbergCement AG é uma das maiores empresas de materiais de construção do mundo. Suas atividades principais incluem a produção e distribuição de cimento e agregados, as duas matérias-primas essenciais do concreto. As atividades a jusante incluem principalmente a produção de concreto pré-misturado, mas também asfalto e outros produtos de construção em alguns países. Com a aquisição da cimenteira italiana Italcementi, o Grupo passou a ser o número 1 mundial em agregados e o número 2 em cimento. No HeidelbergCement Group significativamente expandido, cerca de 54.000 funcionários trabalham em mais de 50 países em mais de 3.000 locais em cinco continentes.
Em 1980, Fred Gumprecht fundou a ENOTEC GmbH – o nome é um acrônimo para Tecnologia de Otimização de Energia. A sede atual está localizada em Marienheide, perto de Colônia.
A empresa é líder no campo de análise de gases de combustão e de processo e produz analisadores para quase todas as aplicações de otimização de combustão e medição de emissões. Graças ao controle de processo aprimorado, o uso de energia pode ser permanentemente reduzido muitas vezes. 65 pessoas trabalham na sede e nos quatro escritórios regionais alemães. Existem também filiais em todo o mundo. Mais de 50% do faturamento é gerado pelas exportações.
