GESTÃO DA ENERGIA NA PRODUÇÃO DE CIMENTO PORTLAND COM USO DE MINERALIZADORES E COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS

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2 1. Introdução Desde que o homem deixou de ser nômade, ele sentiu a necessidade de um local seguro para abrigar a si próprio e sua família, buscando um ambiente sólido para resistir as diversas intempéries. A necessidade somada a revolução industrial no século XVIII, tornaram possível o desenvolvimento da produção de um item de extrema necessidade para o desenvolvimento do ser humano: o cimento Portland, cujo processo de fabricação foi patenteado em 1824 pelo inglês Joseph Aspdin (ABCP, 2002). O cimento Portland, como é denominado, é o segundo item mais utilizado pelo ser humano e é formado a partir de uma mistura de até 80% de calcário e de até 20% de argila, além de areia e minério de ferro, como corretivos. Tais matérias-primas fornecem os compostos: CaCO 3, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, SiO 2, necessários para a formação do quarteto principal do cimento, que são: C 2 S, C 4 AF, C 3 A e C 3 S; dando origem ao clínquer, principal constituinte do cimento Portland. O clínquer é moído juntamente com a adição de carbonato de cálcio (CaSO 4 ) e demais adições de acordo com o tipo de cimento que se deseja obter (ABCP, 2002). Para suprir a demanda deste mercado em plena expansão, nas últimas duas décadas, grandes grupos fabricantes de cimento Portland foram criados no mundo todo. O resultado deste investimento foi o aumento da produção de cimento mundial em 100% nos últimos dez anos, principalmente em países como China e Índia. Este fenômeno é resultado direto do rápido crescimento econômico e conseqüentemente da grande necessidade de infra-estrutura para uma população de bilhões de pessoas (BRITISH GEOLOGICAL SURVEY, 2005). No Brasil, a produção atingiu seu maior valor em 2000, com 40,2 milhões de toneladas produzidas, caindo nos anos seguintes e se recuperando gradativamente nos dias atuias(snic, 2007). A fabricação de cimento portland implica num elevado consumo de energia térmica e elétrica, devido o processo ser realizado em altas temperaturas. Com as leis ambientais cada vez mais rigorosas, as indústrias cimenteiras buscam alternativas para amenizar seus impactos no meio ambiente, buscando o enquadramento nos padrões de emissões de poluentes exigidos. No intuito de diminuir os custos com o consumo de combustível fóssil (fonte não renovável), a técnica de co-processamento vem sendo empregada para introduzir combustíveis alternativos como parte do processo de fabricação. O co-processamento proporciona um custo menor de produção, já que introduz como combustível, resíduos provenientes de diversas atividades industriais. Além de contribuir com a diminuição do passivo ambiental, que estes resíduos gerariam quando descartados em locais impróprios. Atualmente, as indústrias cimenteiras enfrentam um grande desafio: a busca por um produto final de baixo custo, uma vez que seu valor de mercado encontra-se baixo. A situação induz o setor a buscar tecnologias que permitam o uso de matérias-primas e combustíveis com menores custos e menores possibilidades de emitirem poluidores, mantendo a qualidade final do produto: o cimento Portland (SALOMON, 2002). Recentemente, estudos demonstraram que o uso de determinadas substâncias diminui a temperatura necessária para a ocorrência das reações de formação do clínquer, diminuindo a necessidade de uma alta temperatura de chama no forno de cimento, e, conseqüentemente, diminuindo o consumo de combustível, ou até mesmo permitir o uso de combustíveis com poder calorífico inferior. Estas substâncias são conhecidas como mineralizadores (SOUZA, 2007). 2

3 Neste trabalho pretende-se apresentar as mudanças no processo produtivo e as novidades tecnológicas do setor nos últimos anos, para atenuar os custos de produção e manter-se dentro dos padrões ambientais exigidos por lei, visando o desenvolvimento sustentável. 2. Cenário mundial da indústria de cimento Portland A produção de cimento Portland aumentou na maioria dos países do mundo. A figura 1 mostra que o crescimento da produção de cimento Portland foi superior a 600 milhões de toneladas no período entre 1994 a 2004, isso devido ao crescimento da população mundial. Estima-se que em 2050 serão 9 bilhões de habitantes no planeta, tendendo a aumentar a produção de cimento cada vez mais, para a satisfazer as necessidades desse contingente (BRITISH GEOLOGICAL SURVEY, 2005). A relação entre produção e consumo de um determinado produto é uma relação muito forte na maioria das atividades econômicas, e com o setor cimenteiro não é diferente. O aumento da produção reflete a melhoria das condições econômicas e o crescimento das populações em diversas partes do mundo (SZABÓ, 2006) M i l h õ e s d e T o n e l a d a s A n o s Figura 1 Produção mundial de cimento Portland A tabela 1 apresenta a composição do cenário atual do setor cimenteiro mundial, e o volume total de cimento produzido nos últimos anos, que já passa dos 2 bilhões de toneladas, com destaque especial para a produção dos países China e Índia. Países % 1º China 627,2 704,1 813,6 933,7 43,64% 2º Índia 103,7 110,1 124,5 136,9 6,40% 3º EUA 88,9 89,7 92,8 97,4 4,55% 4º Japão 79,5 76,4 73,8 72,4 3,38% 5º Coréia Sul 53,7 56,4 59,7 55,8 2,61% 6º Espanha 40,5 42,4 44,8 46,6 2,18% 7º Itália 39,9 41,5 43,5 46,1 2,15% 8º Rússia 35,9 40,1 42,6 45,9 2,15% 9º Turquia 33,4 37,2 38,1 41,3 1,93% 10º Indonésia 34,8 35,1 34,9 37,9 1,77% 11º Tailândia 35,0 38,8 35,6 36,7 1,72% 12º Brasil 38,9 38,0 34,0 34,4 1,61% 13º México 33,1 32,0 32,6 33,9 1,58% 14º Alemanha 32,9 31,5 33,4 32,8 1,53% 3

4 15º Irã 28,0 28,8 30,5 31,0 1,45% ND Outros 393,0 412,9 430,0 456,6 21,34% Total Mundial 1.698, , , ,4 100,00% Tabela 1 Ranking dos maiores produtores de cimento do mundo e produção total em milhões de toneladas (Fonte: Na figura 2 nota-se um grande crescimento da produção de cimento no mundo em quase dez anos, e a liderança da China no mercado com 42% da produção total, que é impulsionada principalmente pela demanda do seu crescimento econômico. Porém, a China ainda é detentora de tecnologias de produção de cimento consideradas obsoletas, como os fornos verticais quem consomem maior quantidade de energia e possuem uma capacidade produtiva inferior aos fornos horizontais de produção, além de serem mais poluidores. Entretanto para manter sua produção elevada e garantir a empregabilidade de bilhões de chineses, o país investe em novas tecnologias mas não abandona as consideradas ultrapassadas. Na Índia, segunda produtora mundial de cimento, a produção é predominantemente de cimento belítico, que ao contrário do cimento alítico, é um produto que necessita de menor temperatura no forno para sua produção. Porém, o processo de cura do cimento belítico é mais demorado, apresentando a mesma resistência que um cimento alítico em um intervalo de tempo maior. Consequentemente, seu custo de produção é menor, pois exige condições tecnológicas inferiores, além de combustívies com menor poder calorífico China India 40% 31% Japão EUA - P. Rico Korea 2%3% 3% 4% 6% 5% 6% Alemanha Rússia Itália Outros Figura 2 Composição da produção mundial de cimento no ano de

5 2004 China 35% 2% 2% 2% 3% 5% 3% 6% 42% India Japão EUA - P. Rico Korea Rússia Itália Espanha Outros Figura 3 Composição da produção mundial de cimento no ano de 2004 O crescimento na produção nacional também vem acontecendo gradativamente assim como no resto do mundo, e hoje se encontra na colocação de 12º maior produção de cimento mundial. Porém, com relação aos maiores produtores, o Brasil produz ainda uma quantidade muito pequena e inferior a sua capacidade nominal. Segundo o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento - SNIC (2007), em 2006 foram produzidas aproximadamente 39,5 milhões de toneladas do produto, proveniente de 58 fábricas de cimento Portland instaladas e gerenciadas por 10 grupos de fabricantes, que são: Votorantim (líder na produção nacional), João Santos, Cimpor, Holcim, Camargo Corrêa, Lafarge, Ciplan, Itambé, CCRG e outros (SOUZA, 2007). No Brasil, o crescimento na produção de cimento ocorreu até o ano de 2000, quando a falta de energia obrigou as indústrias cimenteiras a reduzir a produção, já que o setor consome muito energia. 3. Processo de Fabricação do Cimento Portland Atualmente o cimento Portland corresponde a cerca de 98% do cimento produzido no mundo, e sua primeira etapa de fabricação constitui-se na extração e britagem das matérias-primas, que é composta em média por 80% de carbonato de cálcio (CaCO 3 ), 15% de dióxido de silício (SiO 2 ), 3% de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), além de quantidades menores de outros constituintes, como óxido de ferro e o enxofre. Logo após, estes elementos são dosados, préhomogeneizados e moídos por via seca (sem a presença de água), semi-seca ou por via úmida, na qual ocorre a mistura de água no composto, tornando-o uma pasta. Porém, este processo consome maior quantidade de energia do que a moagem por via seca. A matéria-prima preparada é introduzida no forno e fica sujeita a um processo de tratamento térmico de secagem, preaquecimento, calcinação (liberação de CO 2 do calcário) e sinterização a 1450 ºC, formando o clínquer, que posteriormente será resfriado bruscamente e moído com gesso (de 2% a 4% em massa); seguido da dosagem de outras adições como a cinza pozolânica e o filler calcário que determinarão os diferentes tipos de cimento, que deverão ser estocados separadamente em silos antes do ensacamento e do despacho (SALOMON, 2002). A figura 3 mostra a sequência das etapas de produção do cimento Portland. A produção de cimento demanda por elevadas quantidades de energia, sendo o combustível primário, fornecedor do poder calorífico ao processo de queima da matéria-prima, o item de maior peso na estrutura de custos de produção, enquanto que a energia elétrica, utilizada em 5

6 diversos outros processos, corresponde a uma pequena porcentagem do total necessário. Podese utilizar como combustíveis primários: carvão, coque de petróleo e óleo combustível (cada vez menos utilizado devido seu alto custo e por ser grande fonte poluidora), além de gás natural que é pouco utilizado devido ao seu alto custo. Pode-se verificar a evolução da estrutura do consumo energético do setor na figura 4. Estocagem de Clínquer Calcário Moagem de Clínquer e Adições Pré-homogeneização Forno Rotativo Moinho de Cru Pré-Calcinador Silo de Homogeneização Transporte a granel Ensacamento Figura 3 Esquema de etapas da produção do cimento Portland Adições de substâncias no cimento Portland podem ocorrer no sentido de alterar as propriedades que o aglomerante confere ao cimento produzido, e são adicionados ao clínquer em quantidades delimitadas (maior do que 5% em massa). Tal procedimento é permitido principalmente por apresentar maior resistência a sulfatos, menor calor de hidratação, maior impermeabilidade e por proporcionar um custo menor de produção, além de contribuir com as questões ambientais, uma vez que a maioria das adições são sub-produtos industriais (CARPIO, 2005). Figura 4 Estrutura do consumo energético no setor cimenteiro em % nas últimas décadas 4. Co-processamento: os combustíveis alternativos Para que se atenda requisitos atuais de produção, como a restrição ambiental e energética, são utilizados cada vez mais os combustíveis alternativos oriundos de resíduos industriais. 6

7 Os órgãos regulamentadores ambientais, influenciados pela pressão social por uma melhor qualidade de vida, estão criando leis que exigem soluções para disposição final dos diferentes tipos de resíduos gerados nas indútrias. O uso de alguns destes resíduos industriais como combustíveis secundários na produção de cimento tem sido um caminho viável para que as indústrias cimenteiras diminuam seus custos de produção, o consumo de combustíveis fósseis, e ainda contribua para a disposição final desses resíduos, como no caso dos pneus usados, que são reutilizados como combustível na queima de formação do clínquer (SALOMON, 2002). Combustíveis Alternativos Sólidos Combustíveis Alternativos Líquidos Produtos sintéticos Produtos naturais Outros produtos Baixa toxicidade fácil decomposição Alta toxicidade difícil decomposição papel e papelão xisto oleoso resíduo de tapeçaria breu Hidrocarbonetos poliaromáticos coque de petróleo Res. de madeira resíduos urbanos lama ácida Bifenila policlorada pó de grafite palha de arroz resíduos de material fibroso resíduos oleosos pasta de carvão casca de coco refugo de biogás resíduos petroquímicos resíduo plástico semente de oliva lama de esgoto Res. da ind. de tinta Comp. aromáticos contendo cloro Comp. cíclicos contendo cloro Res. de borracha casca amendoim resíduos químicos pneus velhos resíduo de bateria bentonita ativada Resíduo de canade-açúcar lama asfáltica borra oleosa Tabelas 2 Principais combustíveis alternativos utilizados (Fonte: SALOMON, 2002) Segundo Salomon (2002) apud Terry (1999), os combustíveis alternativos mais utilizados hoje são o coque de petróleo, embora esse já seja considerado por especialistas como combustível tradicional devido à sua frequência de uso nas indústrias cimenteiras, e os pneus usados, que além do preço atrativo, da viabilidade econômica e da aceitação ambiental, estão disponíveis atualmente em grande parte do mercado mundial. Na tabela 2 estão descritos os combustíveis alternativos sólidos e líquidos mais comumente usados. Os combustíveis utilizados pela indústria de cimento devem apresentar características específicas de chama e constituintes que não afetem a qualidade do clínquer, e conseqüentemente, do cimento (SOUZA, 2007). 5. Mineralizadores Por definição, mineralizadores são elementos ou substâncias químicas capazes de acelerar as reações necessárias para obter o clínquer, permitindo assim, uma diminuição da temperatura e portanto um menor consumo de combustível, reduzindo o custo do produto final. As indústrias cimenteiras trabalham com lucro muito pequeno no mercado competitivo atual, e o uso de mineralizadores decorrente de resíduos pode representar um alívio para as produtoras do setor (SOUZA, 2007). Entretanto, o uso de mineralizadores provenientes de resíduos industriais deve ser cauteloso, pois em sua composição pode haver metais pesados em altas concentrações, que gera um problema ambiental devido a alta toxidade destes metais poluidores da atmosfera, colocando em risco a saúde do ser humano e alterando as propriedades finais do produto. 7

8 Os estudos com estes tipos de aceleradores de reações são recentes e de grande importância, pois além de proporcionar o uso de resíduos industriais, permitem que o custo de produção de cimento reduza, se enquadrando nas exigências atuais dos produtores. Contudo, caso o mineralizador utilizado fosse adquirido como ônus, o seu uso seria inviável economicamente devido às condições atuais de mercado, reforçando a necessidade dos mineralizadores serem provenientes de resíduos industriais (SOUZA et. al., 2005). Atualmente os mineralizadores apresentam um vasto campo para pesquisas. O desafio está em descobrir materiais que acelerem as reações químicas necessárias para formar o cimento e reduzir a temperatura de chama, ou seja, materiais que facilitem a queima das matérias-primas possibilitando o uso de combustíveis primários com menor poder calorífico, que são mais baratos. Dentre os elementos ou substâncias estudadas e consideradas mineralisadoras, estão: Fluorita (CaF 2 ), Carbonato de Cálcio (CaSO 4 ), Fluorsilicatos, Fluoretos alcalinos (NaF e KF), Óxidos alcalinos, terrosos e de metais pesados como CdO, ZnO e PbO (KACIMI, 2006; BARROS, 2004; PUERTAS, 1996). 6. Poluentes atmosféricos oriundos da produção de cimento Portland A indústria de cimento, necessita de grandes quantidades de combustíveis para queimar matéria-prima e gerar o clínquer, resultando na formação dos seguintes poluentes: Dióxido de Carbono (CO 2 ), Óxidos de Nitrogênio (NO x ) e, Óxidos de Enxofre (SO x ), sendo que nestes, o mais comum é o SO 2 (SOUZA, 2007). A matéria-prima principal para a fabricação de cimento é rica em carbonato de cálcio (CaCO 3 ), portanto, numa fábrica de cimento, a geração de CO 2 não é proveniente unicamente da queima de combustíveis, mas também da própria etapa de descarbonatação, resultando na formação deste gás. Logo, não há muito o que se fazer diante a emissão deste poluente, uma vez que ele está ligado diretamente a quantidade produzida de cimento (BRITISH GEOLOGICAL SURVEY, 2005). O NOx resultante em uma indústria cimenteira pode ser: NOx térmico, resultante da oxidação do nitrogênio atmosférico em temperaturas elevadas, e o NOx do combustível, formado pela oxidação do nitrogênio no combustível. Quando se diminui a temperatura de chama, ocorre a redução do NOx térmico já que a temperatura é menor. Já o SO 2 é gerado no cimento Portland através da liberação pela matéria-prima e pela queima de combustíveis no forno, e sua emissão pode ser controlada através de algumas ações como: limitação da entrada de combustível, uso de aparelhos de controle de absorção de material particulado e retenção de SO 2 na moagem da matéria-prima, além da seleção de matériaprima e o uso de combustíveis com baixo teor de enxofre (CARPIO, 2005). Os óxidos de nitrogênio e de enxofre são causadores de um problema regional de grande importância: a chuva ácida, logo são regulamentados por leis ambientais (BRAGA et. al., 2002). 7. Novas tecnologias de produção: impacto energético e ambiental O custo da energia é considerado significante e decisivo no custo final do cimento Portland. No intuito de amenizá-los, vem se desenvolvendo novas técnicas tanto no uso das matériasprimas e dos combustíveis necessários, como na parte operacional, desenvolvendo equipamentos mais eficientes. Quase todo cimento produzido atualmente contém adições, que além de permitir um custo final menor, contribui com o meio ambiente, pois os resíduos utilizados são provenientes de 8

9 indústrias de outros setores. Estes resíduos podem ser: pozolanas, escórias de alto-forno, filler, entre outros. Esta técnica, também chamada de co-processamento, caracterizam e permitem outros avanços tecnológicos no setor. No início do processo, a mistura equilibrada da matéria-prima representa um fator importante, pois a porcentagem com que cada componente é introduzido implica num consumo menor ou maior de energia. Para manter um valor mínimo de consumo, o Módulo de Alumina (MA), o Módulo de Sílica (MS) e o Fator de Saturação da Cal (FSC), devem manter-se dentro de limites especificados (SILVA, 1994). Outra técnica importante que a maioria das indústrias cimenteiras utilizam é o processo por via seca que é caracterizado pela não adição de água na moagem da matéria-prima, não necessitando posteriormente de calor para evaporá-la, possibilitando portanto um menor consumo de energia na produção, contrário do que ocorre nos processos por via úmida, semiúmida e semi-seco. Dentre os fornos existentes (Lepol, Vertical e Rotativo), para amenizar a energia utilizada na fabricação de cimento Portland, as indústrias vem adaptando seus fornos rotativos com précalcinadores de 4 estágios para 6 estágios, onde o ar quente proveniente da queima do combustível eleva a temperatura das matérias-primas antes das mesmas entrarem no forno. Com este avanço tecnológico, permite-se que a reação de calcinação ocorra parcialmente em alto grau, antes da entrada das matérias-primas no forno, onde ocorrerão as reações necessárias para formar o clínquer. Além disso, os fornos rotativos quando bem operados mantém o refratário em condições de inibir a troca de calor com o meio externo, diminuindo a perda de energia do sistema. 8. Conclusão A utilização de resíduos na indústria de cimento, principalmente como combustível alternativo e como mineralizadores, é compatível com os princípios gerais da gestão de resíduos e com as políticas existentes com relação a eficiência energética e a mudança climática. Portanto, claramente tornam-se grandes tendências a serem seguidas pelos maiores produtores de cimento do mundo. Há duas razões para que o uso de tais materiais seja considerado pela indústria compatíveis com o desenvolvimento sustentável: a) O uso de combustíveis alternativos contribui para a diminuição de emissões de gases poluentes para a atmosfera, comparado ao uso de combustíveis fósseis, auxiliando também na conservação dos recursos não renováveis; b) Os fornos de cimento oferecem uma alternativa segura para a disposição convencional de resíduos em incineradores dedicados ou em aterros, resultando em benefícios globais pela redução do passivo ambiental e redução da necessidade de capacitação de tratamentos dedicados. Outra forte tendência mundial é o investimento pesado em novas tecnologias para reduzir o consumo de energia no processo. Com a utilização crescente do co-processamento será necessário o desenvolvimento de adaptações tecnológicas para otimizar a produção e extrair a máxima eficiência possível do setor, reduzindo custos e poluindo menos. Referências 9

10 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND ABCP. Guia Básico da Utilização do Cimento Portland, São Paulo Brasil. BARROS, A. M.; TENÓRIO, J. A. S.; ESPINOSA, D.C.R.. Evaluation of the incorporation ratio of ZnO, PbO and CdO into cement clinker. Journal of Hazardous Materials B112 (2004) BRAGA, B., HESPANHOL, I., CONEJO, J. G. L., BARROS, M. T. L., SPENCER, M., PORTO, M., NUCCI, N., JULIANO, N., EIGER, S. Introdução à Engenharia Ambiental. São Paulo, Ed. Prentice Hall, BRITISH GEOLOGICAL SURVEY. Mineral Profile: Cement Raw Materials. Natural Environmental Research Council. Novembro CARPIO, R. C. Otimização no Co-Processamento de Resíduos na Indústria do Cimento Envolvendo Custo, Qualidade e Impacto Ambiental. Tese de Doutorado UNIFEI. Itajubá- MG, KACIMI, L.; SIMON-MASSERON, A.; GHOMARI, A.; DERRICHE, Z.. Reduction of clinkerization temperature by using phosphogypsum. Journal of Hazardous Materials 137 (2006) PUERTAS, F.; BLANCO-VARELA, M. T.; VASQUEZ, T.; PALOMO A. Influence of sand nature on burnability of white cement raw mixes made using CaF2 and CaSO4, fluxing/mineralizer pair. Cement and Concrete Research, 26 (1996) RAMOS, M. D. Substituição de Combustíveis Primários para Redução do Consumo de Energia Elétrica no Setor Cimenteiro Nacional. Relatório de Pesquisa CNPq e Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Itajubá- MG, SALOMON, V. G. Avaliação dos efeitos da presença de metais pesados nos resíduos co-processados quando utilizados como combustíveis alternativos e matéria-prima na indústria cimenteira. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Itajubá-MG, SILVA, R. J. Análise Energética de Plantas de Produção de Cimento Portland. Tese de Doutorado, Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, SOUZA, A. C. Otimização Global Estocástica Multi-Objetivos na Produção de Cimento com Co- Processameno de Resíduos e Adição de Mineralizadores. Exame de Qualificação. Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Itajubá-MG, SOUZA, A. C., RENÓ, M. L. G.; JORGE, A. B.; SILVA, R. J. On the use of a Global Optimization Technique for the Cement Productions Cost with Co-processing and Added Mineralizers. XXVI Iberian Latin- American Congress on Computacional Methods in Engineering CILAMCE Guarapari ES, Brasil. SINDICATO NACIONAL DA INDÚSTRIA DO CIMENTO. Acessado em 14/05/07. SZABÓ, L.; HIDALGO, I.; CISCAR, J. C.; SORIA, A.. CO 2 emission trading within the European Union and Annex B countries: the cement industry case. Energy Policy 34 (2006)