Avaliação exergética e otimização de uma unidade industrial utilizada para a produção de clínquer
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Leandro Soares de Oliveira
Luiz Machado
Luiz Machado
Resumo
A produção de cimento é um processo de consumo energético intensivo. Tal processo
é caracterizado por uma alta produção associada a uma alta demanda energética.
Cerca de 90% da energia térmica total requerida é consumida na etapa de produção
do clínquer, que é realizada na unidade de piro-processamento. Consequentemente,
a demanda de combustível nesta etapa é considerável. Isso acarreta alguns
obstáculos, como uma alta carga de emissões e um alto custo associado ao consumo
de combustível. Devido a isso, algumas estratégias são adotadas na produção de
clínquer a fim de minimizar o gasto de energia envolvido. Duas delas são a adição de
um calcinador na etapa de pré-aquecimento e o uso de co-processamento. Para
avaliar o desempenho deste processo de produção do clínquer, é frequente o uso da
análise exergética, que permite calcular as perdas de calor e as perdas por
irreversibilidades do processo. Dessa forma, baseado na análise exergética, o objetivo
deste trabalho é realizar uma otimização a fim de se encontrar uma condição
operacional ótima para a produção de clínquer. Nesta análise os efeitos do coprocessamento e da pré-calcinação são considerados. Para isso, foi construído um
algoritmo capaz de predizer as vazões mássicas e composições das correntes de
entrada para uma dada meta de produção de clínquer. Além disso, visto que a análise
exergética ainda não apresenta uma metodologia consolidada na literatura, diferentes
metodologias foram testadas para tal análise. Os resultados obtidos indicaram que a
metodologia mais adequada para análise exergética consiste em considerar a
contribuição completa da exergia química e em definir a eficiência exergética como a
razão entre a exergia do produto desejado e a exergia fornecida ao processo. Por
essa metodologia, a eficiência exergética da condição operacional padrão da unidade
de piro-processamento foi de 29,4%. Por meio da otimização definiu-se que o
processo ideal opera com o uso exclusivo de coque como combustível convencional
e de pneu como combustível alternativo, com 25% de substituição térmica e com um
direcionamento de 28% da carga térmica ao forno rotativo e o restante ao calcinador.
Para a condição ideal, a eficiência exergética da unidade é de 30,8%. Foi simulado
também um cenário com restrição de pneu. Neste caso, foram definidas duas
condições ótimas de operação possíveis.
Abstract
The cement production is an energy intensive process. It is characterized by a high
production associated to a high energy demand. In this process, about 90% of the total
thermal energy required is consumed in the clinker production step, which is carried
out in the pyro processing unit. Consequently, fuel demand for this step is
considerable. This causes some issues, as high process emissions and high cost
associated to the fuel supplyment. Due to this, some strategies are adopted in clinker
production in order to minimize the energy spent. Two of them are the adition of a precalciner in the pre-heating stage and the use of co-processing. In order to evaluate the
clinker production process performance, exergetic analysis is frequently used, since it
allows calculate process heat losses and irreversibilities losses. Thus, based on the
exergy analysis, the aim of the present work is to perform an optimization in order to
determine an optimum operational condition for the clinker production. Co-processing
and pre-calcination were taken into consideration in the analysis. For this, an algorithm
to predict the inlet streams mass flows and compositions for a given clinker goal of
production was developed. In addition, considering that the exergy analysis does not
have a standard methodology defined in the literature, different methodologies were
tried in the study. The obtained results indicated that the best methodology for the
exergy analysis consists in to consider all the chemical exergy contribution and in to
define the exergy efficiency as the ratio between the desired product exergy and the
exergy given to the process. Considering this methodology, exergy efficiency for the
standard operational condition of the pyro processing unit was 29.4%. The optimization
pointed to that the ideal process runs with exclusive use of coke in the conventional
fuel and exclusive use of tires in the alternative fuel, with 25% of thermal substitution
and with 28% of the total thermal energy directed towards the rotary kiln and the last
thermal energy directed towards the calciner. For the ideal condition, the unit exergy
efficiency was 30.8%. It was also simulated a scenario with tire restriction. In this case,
two possible optimum operational conditions were defined.
Assunto
Engenharia química, Cimento, Energia, Exergia, Modelagem, Termodinâmica
Palavras-chave
Cimento, Energia, Exergia, Modelagem, Termodinâmica