Processo de produção de cimento

1. FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND E CO-PROCESSAMENTO DE
RESÍDUOS INDUSTRIAIS NOS FORNOS DE PRODUÇÃO DE CIMENTO
Vista Geral da Jazida - Holcim (Brasil) S.A. - Unidade Fabril de Cantagalo-RJ
Reservas estimadas: 35,33 M de ton de calcário (45 anos de lavra)
1

2. Composição característica do minério
2

3. Desenho esquemático em perspectiva da unidade fabril
3

4. O Processo de Produção do Cimento Portland
Composição usual das matérias-primas
e da farinha para o cimento
Constituinte Calcário Argila Farinha
Percentagem em peso
SiO2 0,5 – 3 37 – 78 12 – 16
Al2O3 + TiO2 0,1 – 1 7 – 30 2–5
Fe2O3 + Mn2O3 0,1 – 0,5 2 – 15 Mais de 2
CaO 52 – 55 0,5 – 25 40 – 45
MgO 0,5 – 5 Mais de 5 0,3 – 3
SO3 Mais de 0,1 Mais de 3 Mais de 1,2
K2O Mais de 0,3 0,5 – 5 0,2 – 0,4
Na2O Mais de 0,1 0,1 – 0,3 Mais de 0,3
4

5. Fluxograma simplificado do processo de produção do cimento
Depósito de
Carvão
Britador
Carvão/Coque
Calcário Depósito Pré-aquecedor
Moinho de Carvão
Argila
Moinho de Cru
Óleo
Homogeneização
Resíduos
Silos de Cimento (Total 7 silos) Moinha
Resíduos
Gesso/Calcário
Separador
Clínquer
Depósito de Clínquer
Moagem de Cimento
... Escória
Ensacamento
CPII E 32 RODOVIÁRIO
Classe G
Carregamento
5

6. O Processo de Produção do Cimento Portland
Geração de material particulado ou pó
•Direcionado para as chaminés e retido por coletores (ciclones,
filtros manga ou precipitadores eletrostáticos).
•Representa de 20 a 30% da produção ⇔ retorna ao forno como
matéria-prima.
Energia no processo de fabricação do cimento
•90%: energia térmica gerada pelo combustível (secagem,
aquecimento e calcinação das matérias-primas).
20 e 25% dos custos de produção do cimento.
•10%: energia elétrica (moagem das matérias-primas: 25% e do
clínquer: 40%, e operações do forno e resfriador: 20%).
50% dos custos. 6

7. O Processo de Produção do Cimento Portland
gás
farinha
Equipamentos do
Pré-aquecedor
sistema forno torres de pré-aquecimento de
4 estágios, co-corrente
Resfriador de clínquer (tipo grelha) Forno rotativo
mínima perda de calor através D = 4m, L= 60m
da carcaça do equipamento α = 3º
7

8. O Processo de Produção do Cimento Portland
As matérias-primas: calcário
argila e óxido de ferro são
alimentadas após uniformização
Os materiais são submetidos a altas
temperaturas para favorecer reações
químicas necessárias para a formação
do clínquer.
O clínquer é resfriado abruptamente para depois ser
misturado com gesso e outros materiais para ser moído,
formando o cimento
Temperatura de 1.450 oC
8
Temperatura de 2.000 oC

9. O Processo de Produção do Cimento Portland
Unidade fabril: em operação desde 1970
Produção atual: 650.000 ton/ano de cimento
Capacidade nominal: 1.200.000 ton/ano
9

10. O Processo de Produção do Cimento Portland
Forno rotativo: D = 4m, L = 60m e α = 3º
Torres de pré-aquecimento de 4 estágios
10

11. O Processo de Produção do Cimento Portland
Resfriador de clínquer do tipo grelha
11

12. O Processo de Produção do Cimento Portland
Maçarico atual em operação no forno rotativo
12

13. O Processo de Produção do Cimento Portland
T< 700oC 700oC a 900oC
desidroxilação dos calcinação do carbonato de cálcio
argilominerais
C +A = C2(A,F) e C12A7
transformação do quartzo α em
quartzo β C + S = C2S (parcial)
conversão de quartzo β em cristobalita
900oC a 1200oC 1250oC a 1350oC
C + S = C2S (final) fusão de C3A e C4AF
C2(A,F) e C12A7 = C3A e C4AF C2S + C = C3S
T > 1350oC
Recristalização e desenvolvimento dos cristais de
alita (C3S) e belita (C2S) na presença de fase líquida
13

14. O Processo de Produção do Cimento Portland
Transformações de fases ao longo do forno rotativo
14

15. O Processo de Produção do Cimento Portland
Composição típica de um clínquer de cimento portland
67% CaO (C), 22% SiO2 (S), 5% Al2O3 (A), 3% Fe2O3 (F) e 3% de outros
óxidos
fases cristalinas anidras metaestáveis na temperatura ambiente
e estáveis ao serem hidratados
alita (C3S): 50 – 70%
belita (C2S): 15 – 30%
aluminato tricálcico (C3A): 5-10%
ferroaluminato tetracálcico (C4AF): 5- 15%
outros compostos em menor quantidade
Na2O, MnO e K2O, magnésio, enxofre e fósforo
elementos traços: Cr, Pb, Zn, V, Ni e outros, (provenientes das MP e
combustíveis (estes normalmente portando os resíduos)
15

16. Propriedades conferidas ao cimento
Alita: principal mineral que contribui para a resistência mecânica/
fase que reage mais rapidamente com a água
Belita: reage mais lentamente com a água porém, após períodos
maiores (aproximadamente um ano), atinge a mesma resistência
mecânica que a alita
C3A: reage muito rapidamente com a água, porém sem apresentar
fortes propriedades hidráulicas. Em combinação com os silicatos, o
mesmo eleva a resistência inicial do cimento.
C4AF: apresenta taxas inicialmente altas de reatividade com a água.
Em idades mais avançadas: taxas baixas ou muito baixas ⇔ contribui
pouco para a resistência mecânica
16

17. Composição típica da mistura de aditivos
para obtenção do cimento CP II E 32
17

18. Caracterização do Cimento
Difração de Raios –X
A técnica de difração de raios-X é utilizada para a
identificação das fases constituintes do clínquer.
Microscopia Ótica e Eletrônica de Varredura
Observação morfológica das amostras.
Ensaio de Lixiviação
O ensaio de lixiviação visa simular as condições de
exposição do cimento ao meio ambiente.
Ensaio de Solubilização
O ensaio de solubilização visa complementar o ensaio de
lixiviação (resíduo é inerte (Classe III) ou não).
Ensaio de Resistência Mecânica à Compressão
A resistência à compressão é o controle de qualidade
fundamental do produto. Limites mínimos de resistência à
compressão exigidos para 3, 7 e 28 dias
18

19. Espectro de difração de Raios-X para uma
amostra de clínquer
19

20. Fotomicrografia de uma amostra de clínquer
(Microscopia Ótica )
(200X)
20

21. Fotomicrografia de uma amostra de clínquer
(Microscopia Eletrônica de Varredura)
(500X) (5000X)
1
Detalhe partícula 1
21
EDS da região fotografada

22. Ensaio de Lixiviação
Metal NBR 10004 Corrida 1 Corrida 2
(mg/L) (mg/L) (mg/L)
Arsênio 5 nd nd
Bário 100 1,086 1,156
Cádmio 0,5 nd nd
Chumbo 5 0,147 0,179
Cromo total 5 0,199 0,236
Mercúrio 0,1 nd nd
Prata 5 nd nd
Selênio 1 nd nd
22

23. Ensaio de Solubilização
Metal NBR 10004 Corrida 1 Corrida 2
(mg/L) (mg/L) (mg/L)
Arsênio 0,05 nd nd
Bário 1,0 0,391 0,825
Cádmio 0,005 nd nd
Chumbo 0,05 0,001 0,043
Cromo total 0,05 nd nd
Mercúrio 0,001 nd nd
Prata 0,05 nd nd
Selênio 0,01 nd nd
23

24. Ensaio de Resistência Mecânica à Compressão
NBR 7215/ NBR 11578
1992 - Branco
1 DIA 3 DIAS 7 DIAS 28 DIAS
45,0
Resistência Mecância (MPa)
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
AGOSTO
MAIO
JANEIRO
MARÇO
ABRIL
NOVEMBRO
DEZEMBRO
JULHO
SETEMBRO
OUTUBRO
FEVEREIRO
JUNHO
24

25. Ensaio de Resistência Mecânica à Compressão
NBR 7215/ NBR 11578
2001 - Co-processado
1 DIA 3 DIAS 7 DIAS 28 DIAS
45,0
Resistência Mecância (MPa)
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
JANEIRO
JUNHO
ABRIL
MARÇO
JULHO
FEVEREIRO
MAIO
OUTUBRO
AGOSTO
NOVEMBRO
DEZEMBRO
SETEMBRO
25

26. Tipos de cimento Portland Disponíveis no
Mercado Brasileiro e Suas Aplicações
Cimento Portland Comum (CP I)
Um tipo de cimento portland sem quaisquer adições além do gesso (utilizado
como retardador da pega). Com pequenas adições - CP I-S
Aplicações: É usado em serviços de construção em geral, quando não são
exigidas propriedades especiais do cimento.
Cimento Portland Composto (CP II)
O Cimento Portland Composto é modificado (com adições - CP II-Z, CP II-E e
CP II-F ).
Aplicações: Recomendado para obras correntes de engenharia civil sob a forma
de argamassa, concreto simples, armado e protendido, elementos pré-
moldados e artefatos de cimento.
Cimento Portland de Alto-Forno (CP III)
Cimento com adições de escória de Alto-Forno.
Aplicações: Em obras de concreto-massa, tais como barragens, peças de
grandes dimensões, fundações de máquinas, pilares, obras em ambientes
agressivos, tubos e canaletas para condução de líquidos agressivos, esgotos e
efluentes industriais, concretos com agregados reativos, pilares de pontes ou
obras submersas, pavimentação de estradas e pistas de aeroportos. 26

27. Tipos de Cimento Portland Disponíveis no
Mercado Brasileiro e Suas Aplicações
Cimento Portland Pozolânico (CP IV)
Um tipo de cimento portland com ad pozolânico.
Aplicações: É especialmente indicado em obras expostas à ação de água
corrente e ambientes agressivos.
Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CP V-ARI)
Com valores aproximados de resistência à compressão de 26 MPa a 1 dia de
idade e de 53 MPa aos 28 dias. Alterações nas proporções das fases do
clínquer.
Aplicações: Em blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes,
meio-fio, mourões, postes, elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-
fabricados.
Cimento Portland Resistente a Sulfatos (RS)
Alterações nas proporções das fases do clínquer.
Aplicações: Em ambientes submetidos ao ataque de meios agressivos, como
estações de tratamento de água e esgotos, obras em regiões litorâneas,
subterrâneas e marítimas.
27

28. Tipos de Cimento Portland Disponíveis no
Mercado Brasileiro e Suas Aplicações
Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC)
É o cimento Portland de Alto-Forno com baixo calor de hidratação, determinado
pela sua composição – fases do clínquer.
Aplicações: Este tipo de cimento tem a propriedade de retardar o desprendimento
de calor em peças de grande massa de concreto, evitando o aparecimento de
fissuras de origem térmica, devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do
cimento.
Cimento Portland Branco (CPB).
A cor branca é obtida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxido de
ferro e manganês, em condições especiais durante a fabricação, tais como
resfriamento e moagem do produto e, principalmente, utilizando o caulim no lugar
da argila.
Aplicações:
Estrutural: Em concretos brancos para fins arquitetônicos.
Não estrutural: Em rejuntamento de azulejos e em aplicações não estruturais.
28

29. O Co-Processamento de Resíduos
em Fornos Rotativos de Clínquer
Brasil: produção de 2,7 M ton/ano de resíduos
Incineração
1% 4% 17% Utilizado como combustível
Aterros Sanitários
78%
Sem destino conhecido
29

30. O que é resíduo industrial ?
Resíduo industrial é todo material resultante de um processo
produtivo, cujo gerador rejeita, pretende rejeitar ou é solicitado a
rejeitar. Segundo a ABNT, são classificados em três categorias :
Classe I - Resíduos perigosos
Classe II - Residuos não perigosos e não inertes
Classe III - Residuos inertes
30

31. A destinação dos resíduos
Fim de reciclagem
vida
aterro
insumos processo produto
Bio-tratamento
resíduo
incineração
qualidade Co-processamento
31

32. Reciclagem
Quando viável, é a melhor destinação.
Vários resíduos industriais dispõem de tecnologia e custo que
permitam sua reciclagem, como as latas de alumínio, caixas de
papelão, garrafas de vidro, produtos plásticos e outros.
Cumpre notar que a reciclagem nunca será de 100%, pois fatores
econômicos e sociais impedem que isso aconteça.
Muitos resíduos não são economicamente recicláveis e portanto
precisam de uma outra destinação final.
32

33. Aterro
Aterro é um local para disposição de resíduos sem caracterizar
disposição final.
Em alguns casos não oferece garantias necessárias para resíduos
classe I e alguns resíduos classe II.
Podem oferecer soluções muito baratas.
Exemplos de boas práticas:
VIVENDI (SASA)
Essencis (Caieras, CAVO)
Exemplos de más práticas:
Formiga ( MG )
CENTRES ( RJ )
Mantovani (SP )
33

34. Biotratamento
Trata-se do uso de microrganismos para recuperar áreas
degradadas com produtos químicos orgânicos.
São aplicáveis somente quando o grau de contaminação é
pequeno, caso contrário o tempo necessário torna-se muito longo.
Tratamento no local.
Restrito a contaminantes orgânicos.
34

35. Incineração
O processo de incineração promove a queima dos resíduos
num ambiente fechado, onde os fumos da queima passam
por um sistema de lavagem de gases, que garante que
nenhum subproduto da queima seja liberado para a
atmosfera.
As cinzas e os produtos usados na lavagem precisam ser
destinados, uma vez que são resíduos deste processo.
Incinerador
Gases Tratados
Alimentação de
Resíduos
Cinzas ‘Água’ da
Lavagem
35

36. Co-processamento
O co-processamento é a técnica de destruição térmica a altas
temperaturas em fornos de clínquer devidamente licenciados para
este fim, com aproveitamento de conteúdo energético e/ou
aproveitamento da fração mineral como matéria-prima, sem a
geração de novos resíduos.
36

37. O que pode ser co-processado ?
Exemplos:
Substâncias oleosas
Catalisadores usados
Resinas, colas e látex
Pneus e emborrachados
Madeiras contaminadas
Solventes
Borrachas
Lodos de ETE
Terras contaminadas
Papel e outros
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38. O que não pode ser co-processado ?
Exemplos:
Resíduos hospitalares não-tratados
Lixo doméstico não-classificado
Explosivos
Elementos radioativos
Pesticidas
Fossas orgânicas
Materiais com alto teor de metais pesados
Materiais com alto teor de Cloro
Materiais com baixo poder calorífico ou sem
contribuição na substituição de matérias-primas
38

39. Como se prepara o material a ser co-processado ?
Caracterização
Análise prévia
Contrato com o gerador do resíduo
Licenciamento com o órgão ambiental
Coleta e transporte licenciados
Preparação prévia ( ‘blending’ )
Co-processamento
Emissão de Certificado de Destruição térmica (CDT)
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40. As vantagens do co-processamento
Elimina vários resíduos de forma segura e definitiva.
Não gera passivos ambientais
Permite controle ‘on line’ das emissões
Aumenta recolhimento de ISS no município
Induz as fábricas de cimento a uma produção mais
segura, devido aos investimentos para o licenciamento
Poupa recursos naturais não-renováveis
Óleo combustível, coque de petróleo
Matérias-primas minerais
40

41. Estação de Tratamento de Resíduos
AFR ou Matéria-Prima e Combustível Alternativo
com especificação conhecida de poder calorífico e
máximo de contaminantes, garantida por análise de laboratório
Análises de laboratório de cada resíduo para
assegurar que nada possa afetar o cimento ou
aumentar as emissões
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42. Pontos de entrada de resíduos na planta
Depósito de
Mix
Combustíveis
Carvão/Coque
Matéria - Prima Moinho de Carvão
Pré-Aquecedor
Óleo Combustível
Moinho de Cru
Homogeneização
Dep. Lodo
Dep. Trapo
líquidos
viscosos
lodos 50 ton/mês
matéria prima
alternativa 800 ton/mês
líquidos baixa
1200 ton/mês
resíduos sólidos viscosidade
trapos
700 ton/mês
650 ton/mês 200 ton/mês
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