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REIMPRESSÃO DO INTERNATIONAL CEMENT REVIEW Pulverização atomizada para resfriamento e condicionamento de gás em fábricas de cimento A tecnologia de pulverização é uma das maneiras mais eficazes de resfriar e condicionar gases. De fato, avanços recentes na tecnologia de atomização e a introdução de bicos atomizadores a ar de alta eficiência a tornam uma solução ainda melhor do que era há alguns anos. Usuários em uma ampla variedade de indústrias, incluindo a fabricação de cimento, estão vivenciando ganhos de eficiência, reduções no tempo de manutenção e menor consumo de energia por meio do uso destes novos bicos atomizadores a ar para resfriamento de gases. Resfriamento evaporativo: duas opções Historicamente, sistemas de resfriamento evaporativo para condicionamento de gases consistiram em múltiplos bicos de pulverização hidráulica de alta pressão, manifolds, bombas de alta pressão e controles básicos. Estes sistemas são eficazes e ainda estão em uso atualmente. No entanto, as fábricas que usam estes sistemas frequentemente sofrem com colagem, que é o acúmulo de particulados nas paredes e fundos dos dutos e torres, além do gotejamento dos bicos - todos os quais contribuem para altos custos de manutenção. Estes sistemas também são caros para operar, uma vez que operam com pressões elevadas. Na última década, bicos atomizadores a ar se tornaram mais sofisticados. Novas técnicas de atomização agora produzem pulverizações atomizadas que são compostas de gotas muito pequenas – significativamente menores do que aquelas produzidas por bicos hidráulicos de alta pressão (vide Figura 1). As gotas muito pequenas produzidas por bicos atomizadores a ar exigem pouco tempo de residência para evaporação completa. As pulverizações atomizadas também geram mais área de superfície por litro e permitem que o líquido reaja de forma mais completa com o fluxo de gás para absorção completa. O resultado? Evaporação rápida e completa sem colagem. LI-ARCPROC1 Resfriamento de Gases por Wes Bartell, William Hebden, Rudolf Schick, Spraying Systems Co Menos fornos, maiores exigências de produção, fontes de combustíveis alternativos, maior pressão para reduzir custos operacionais, atendimento a legislação e eficiência de equipamento a jusante. Todas essas são questões importantes que devem ser consideradas ao avaliar a eficiência e a eficácia de aplicações de resfriamento de gás. A questão mais básica, no entanto, permanece a mesma – a necessidade de resfriar gases quentes e reduzir o volume rapidamente. A tecnologia de pulverização é uma resposta a estes novos desafios e este artigo se concentra em avanços tecnológicos recentes na pulverização atomizada para resfriamento e condicionamento de gás. Além de melhor desempenho de resfriamento, sistemas que usam bicos atomizadores a ar oferecem diversos outros benefícios nas áreas de instalação, operação e manutenção. Bicos atomizadores superiores a bicos hidráulicos de alta pressão? A Tabela 1 mostra uma comparação das duas opções para resfriamento evaporativo que ajuda a ilustrar as vantagens de sistemas de resfriamento de gás que utilizam bicos atomizadores a ar. Diferenças de desempenho Um exemplo hipotético ajudará a demonstrar as diferenças entre sistemas atomizadores hidráulicos e a ar. A Tabela 2 mostra as condições de operação em uma fábrica de cimento fictícia (presumindo que esta fábrica irá construir uma nova torre de resfriamento de gás para acomodar esta aplicação). Usando cálculos padrão de resfriamento de gás, a Tabela 3 mostra um resumo do requisito de tamanho de torre para cada método de resfriamento com base no desempenho de tamanho de gota Dmáx de cada tipo de bico. Se bicos hidráulicos forem utilizados para resfriamento de gás: • a torre precisará ser 45 por cento mais alta e 26 por cento mais larga • 10 lanças adicionais • a evaporação levará o dobro do tempo Claramente, um sistema usando bicos atomizadores a ar oferece melhores resultados a um custo consideravelmente menor. Tabela 2: condições operacionais na fábrica de cimento fictícia Volume de gás: 147.144 scfm (250.000 Nm3/h) Temperatura de gás de entrada: 716ºF (380ºC) Temperatura de gás de saída: 302ºF (150ºC) Volume total de líquido: 120 gpm (454 L/min) Tabela 3: resumo de requisitos de tamanho de torre para cada método de resfriamento com base no desempenho de tamanho de gota Dmáx Tamanho da Torre Diâmetro Altura Número de Lanças Pressão de Líquido Volume de Líquido por Lança Pressão de Ar Volume de Ar por Lança Atomização a Ar 21,3 pés (6,5 m) 65,2 pés (20 m) 8 56 psig (3,86 barg) 15 gpm (59,7 L/min) 50 psig (3,45 barg) 51 scfm Tempo de Permanência para Evaporação 5,1 segundos Hidráulico 27 pés (8,2 m) 95 pés (29 m) 18 600 psig (41,3 barg) 7,0 gpm (26,4 L/min) --12 segundos INTERNATIONAL CEMENT REVIEW TECNOLOGIA DE CIMENTO Tabela 1: uma comparação de duas opções de resfriamento evaporativo Desempenho e Tamanho de Gota Pressão Compressores Sistemas de Bico Atomizador a Ar Sistemas de Bico Hidráulico Preciso por meio do controle tanto de ar como de líquido • Controle preciso (o tamanho de gota permanece constante) conforme a vazão varia • Tamanho pequeno: reduz o tempo de residência e o risco de umedecimento • Maior área de superfície gerada por pulverizações: melhor absorção • Varia com as alterações de pressão • Vazão constante em determinada pressão. Alterações na pressão ou vazão alteram o tamanho da gota. • Tamanho de gota maior exige maior tempo de residência para evaporação e aumenta o risco de colagem. Se a água não tiver evaporado, o resfriamento está incompleto e o excesso de água pode tornar o pó de cimento em cimento • Área de superfície menor: Menos absorção • Baixa. Tubulação & bombas de baixa pressão (tipicamente 10HP) exigidas • Baixa manutenção • Baixo consumo de energia • Alta. Tubulação e bombas de alta pressão (tipicamente 50-75HP) exigidas. As bombas tipicamente funcionam de forma contínua para manter a pressão nos bicos. • Manutenção elevada • Consumo de energia elevado Exigido (125 HP) típico Bicos a ar eficientes usam pouco ar, o que reduz os custos de energia e estende a vida do compressor • • Não exigido • Passagem livre do bico • Grande. Água de rio, bacias ou de escoamento são aceitáveis para uso • Nº de lanças/ capacidade do bico • Baixo. Os bicos estão disponíveis com capacidades de até 65 gpm (247 L/min) por bico • Uma lança atomizadora a ar pode substituir quatro lanças hidráulicas • Eficiência • Alta. Redução mais eficiente no volume do gás e resfriamento mais rápido resultam em custos mais baixos de energia. • Eficiência do equipamento a jusante (ESP e filtro de mangas) é melhorada conforme a densidade do gás aumenta e o volume e a velocidade do gás diminuem. • Controle de umidade • Preciso. Melhora a eficiência da coleta de pó de ESP e a correção da opacidade • INTERNATIONAL CEMENT REVIEW Pequena. Entupimento é um problema comum. Uma fonte de água limpa é necessária. Alto. Vazões maiores do que 10 gpm (37,8 L/min) não são possíveis porque o tamanho da gota seria muito grande para evaporação eficaz Baixa. A redução da temperatura e do volume do gás leva mais tempo; usa mais energia • Equipamento a jusante menos eficiente. Expansão pode ser necessária se o volume aumentar Menos preciso. Risco maior de problemas. O excesso pode causar problemas de ponto de orvalho do ácido (corrosão) e danificar o equipamento a jusante. Muito pouco pode resultar na liberação de partículas na atmosfera Figura 1: Ilustração de uma gota de um bico hidráulico e de uma gota de um atomizador a ar Tipicamente, as lanças em torres de resfriamento têm utilizado bicos hidráulicos com vazões de 7,0 gpm (26,4 L/min) para evaporação ideal. A 580 psig (40 barg), o Dmáx (tamanho máximo de gota por volume presente na pulverização) corresponde a 290 micrômetros. Muitas lanças em torres de resfriamento agora são equipadas com bicos atomizadores a ar de alta eficiência. A uma vazão de 7 gmp (26,4 L/ min) e 50 psig (3,45 barg), o tamanho de gota Dmáx corresponde a 140 micrômetros. A gota do bico hidráulico é 107 por cento maior do que a gota do bico atomizador a ar. Escala 50:1 Como bicos atomizadores a ar funcionam Em termos bastante básicos, a atomização é o processo de gerar gotas. O processo começa ao forçar a passagem de um líquido por um bico. A energia potencial do líquido, em conjunto com a geometria do bico, faz com que o líquido surja como pequenos ligamentos. Estes ligamentos então se decompõem adicionalmente em “pedaços” muito pequenos ou gotas. No entanto, nem todos os bicos atomizadores a ar são desenhados para aplicações críticas, como o resfriamento de gás. A maioria dos bicos atomizadores a ar é desenhada para uso geral e funcionam bem em uma ampla gama de aplicações. O próprio ar – volume alto e pressão alta -- é a fonte primária de atomização nestes bicos. Em aplicações de condicionamento de gás, os bicos atomizadores a ar devem oferecer um controle rigoroso de tamanho de gota e cobertura de pulverização. O objetivo é minimizar o Dmáx e obter uma pulverização finamente atomizada com D32 (também conhecido como Diâmetro Médio de Sauter, SMD) menor do que 80 mícrons a 25 gpm (95 L/min). Bicos que atingem esta gota muita pequena utilizam um processo de atomização em múltiplas etapas. A Figura 2 abaixo mostra o princípio básico de funcionamento de um bico que usa um processo de três etapas para gerar gotas muito pequenas. Conforme mostrado, o ar e o líquido se combinam através da guia de ar. A queda de pressão através TECNOLOGIA DE CIMENTO Continuação da Tabela 1... Sistemas de Bico Atomizador a Ar Possível dano • Sistemas de Bico Hidráulico Improvável. A eliminação de colagem reduz o risco de depósitos se soltando e danificando equipamento a jusante. • Redução de temperatura mais rápida & melhor controle reduz o risco de gases Desenho com múltiplos orifícios proporciona atomização adicional Possível devido a problemas de colagem ou bicos com vazamento • Possível devido ao controle menos preciso de temperatura & umidade (vide Controle de Umidade) • quentes queimando filtros caros no filtro de mangas Custos de instalação Manutenção Ar & líquido combinados na guia de ar Mais baixos. Menos lanças necessárias. (vide Nº de Lanças) Baixa. Bicos operam em pressões baixas • Bicos feitos de material resistente a desgaste • A evaporação rápida e completa elimina a colagem e problemas associados • Não são necessárias ferramentas especiais para manutenção • do orifício de guia de ar proporciona a atomização primária do fluxo líquido. Então o fluxo concentrado atinge o parafuso alvo, forçando quebra mecânica adicional. A tampa de ar do bico então age como uma câmara de mistura final. Conforme o líquido cruza diversos orifícios, uma queda de pressão adicional proporciona a atomização final. Dados de tamanho de gota: críticos & complicados Conforme discutido, o controle rigoroso e o tamanho pequeno de gota são críticos na pulverização atomizada. Mas ao avaliar os dados de desempenho da pulverização, números que indicam o tamanho pequeno de gota não são o bastante. É importante ter certeza de entender as técnicas de medição de tamanho de gota, tipo de analisador de tamanho de gota, análise Definição de termos • D32, também conhecido como Diâmetro Médio de Sauter (SMD): Expressa a finura de uma pulverização em termos da área de superfície produzida pela pulverização. O SMD é o diâmetro de uma gota que tem o mesmo volume de todas as gotas com relação à área de superfície total de todas as gotas. • Dmáx: O tamanho máximo de gota por volume (ou massa) presente na pulverização. • Dmín: O tamanho mínimo de gota por volume (ou massa) presente na pulverização. Mais altos. Maior número de Lanças necessário. (vide Nº de Lanças) Alta Bicos tipicamente disponíveis em materiais padrão • Evaporação mais lenta aumenta o risco de umedecimento • Ferramentas especiais frequentemente são necessárias • • O fluxo líquido é cisalhado pelo parafuso alvo Figura 2 no mínimo, informações sobre D32 (Diâmetro Médio de Sauter), Dmáx e Dmín sejam incluídas. Sistemas de condicionamento de gás turnkey: últimos avanços Os sistemas de condicionamento de gás para fabricação de cimento tipicamente foram configurados pela integração de componentes de uma variedade de fornecedores. Controles, bicos, bombas, compressores, reguladores, etc., geralmente se originam de diversos fabricantes. Recentemente, uma nova solução de sistema turnkey foi introduzida. Este sistema contém um controle de pulverização próprio desenhado para otimizar o desempenho dos bicos de pulverização deste fabricante. O controlador do sistema monitora e ajusta o sistema de circuito fechado regulando o fluxo de líquido e ar para os bicos com base nas informações fornecidas por sensores de temperatura. Uma vez que o software do controlador foi escrito exclusivamente para bico de pulverização e controle de sistema de pulverização, ele oferece o mais alto nível de controle de temperatura, resposta e exatidão possível. de dados de amostragem e técnicas de relato sendo utilizados, pois todos estes têm uma forte influência nos resultados. Para aplicações de condicionamento de gás, aqui estão as diretrizes de testes de medição de tamanho de gota: • evite usar instrumentos de medição de tamanho de gota que dependam de fotografia de alta velocidade e/ou técnicas de dispersão de luz. Estes instrumentos podem não ser adequados para a medição de pulverizações de densidade elevada. • Analisadores de Partícula por fase Tabela 4: sistemas turnkey oferecem economia de custos Doppler (PDPA) são tipicamente significativa mais adequados para a medição de Instalação Sistema hidráulico pulverizações de densidade elevada. Estes Sistema de atomização a ar 10 lanças instrumentos são equipados com um laser 5 lanças 2 bombas de alta pressão, de alta potência que pode ser usado para 2 bombas de baixa pressão, tubulação de alta pressão, compensar o obscurecimento causado por tubulação de baixa pressão, válvulas, plataforma móvel, válvulas, plataforma móvel, pulverizações de densidade elevada. Além termopares, etc. termopares, etc. disso, estes instrumentos são capazes de 2 compressores de ar medir tamanho e velocidade de gota para cada gota na pulverização. Economia de custos • relate a distribuição do tamanho de gota de Com os benefícios gerais que os bicos atomizadores forma conservadora. O Padrão E799-92 da ASTM a ar oferecem em comparação com os bicos permite que o Dmáx componha até um por cento hidráulicos já tratados, a Tabela 4 aborda mais do volume. Procure padrões mais rigorosos como um exemplo específico que mostra a instalação uma rede de segurança. Por exemplo, Dmáx menor e as diferenças de custo operacional em que 0,20 por cento é preferível. andamento de um sistema turnkey equipado • relate informações em terminologia com atomizador a ar versus bico hidráulico. A consistente com as definições no Padrão econômica total de instalação estimada de um E1296-93 (1,3) da ASTM. Para aplicações de sistema equipado com bicos atomizadores a ar condicionamento de gás, certifique-se que, INTERNATIONAL CEMENT REVIEW TECNOLOGIA DE CIMENTO é de cinco por cento (aproximadamente US$ 25.000). A economia operacional corresponde a: • 50 por cento menos eletricidade • 50 por cento menos em peças de reposição • 75 por cento menos em mão de obra/manutenção Estima-se a economia operacional anual de sistema equipado com bicos atomizadores a ar em aproximadamente US$ 16.000. Ao longo de cinco anos, a economia corresponderia a aproximadamente US$ 80.000. Variedade de usos em fábrica Dependendo do layout da fábrica, podem existir diversas localizações onde a pulverização atomizada para resfriamento de gás pode ser utilizada. Instalações comuns incluem: em duto, torres de resfriamento, resfriadores de clínquer, fornos e secadores rotativos. Os exemplos mostrados abaixo mostram como três fábricas de cimento estão utilizando a pulverização atomizada e os benefícios que estão obtendo. Exemplo Nº 1: resfriamento de gás de forno rotativo Uma fábrica na África está resfriando gases quando moinhos de bolas não estão em funcionamento. A temperatura do gás é reduzida de 681 ºF (361 ºC) Torre de Condicionamento de Gás Temperatura de Entrada 681 ºF (361 ºC) a 302 ºF (150 ºC) para evitar o dano ao ESP. O aumento na umidade do gás também aumenta a eficiência de ESP pela melhoria na remoção de partículas. Vide Dados Operacionais 1. Resfriador Rotativo Temperatura de Entrada 640ºF (334ºC) Exemplo Nº 2: resfriamento de gás de secador rotativo O gás de clínquer é preparado para entrada no filtro de mangas por resfriamento no secador rotativo em uma fábrica na região sudeste dos EUA. O gás de clínquer está a 640ºF (334ºC) quando é liberado para o secador e a temperatura é reduzida para 270ºF (132ºC) antes de entrar no filtro de mangas. Como resultado, a eficiência do filtro de mangas é melhorada. Vide Dados Operacionais 2. Temperatura de Saída 270ºF (132ºC) Dados Operacionais 2 Volume de gás: 386.164 cfm (656.098 Nm3/h) Temperatura de gás de entrada: 640ºF (334ºC) Temperatura de exaustão alvo: 270ºF (132ºC) Instalação Seis lanças equipadas com bicos atomizadores a ar de alta eficiência Pressão de Ar: 60 psig (4,14 barg) Volume de Ar: 40 cfm por lança (68 Nm3/h por lança) Pressão de Líquido: 75 psig (5,18 barg) Volume de Líquido: 23 gpm por lança (87,1 L/min por lança) Dmáx Operacional: 340 micrômetros Exemplo Nº 3: resfriamento de gás em resfriador de clínquer A redução da temperatura do gás de 800ºF (426ºC) para 300ºF (148ºC) no resfriador de clínquer em uma fábrica no Meio-Oeste dos EUA garante que os sacos de fibra de vidro caros no sistema de coleta de poeira não queimem (vide Dados Operacionais 3). Resfriador de Clínquer Temperatura de Entrada 800ºF (426ºC) Temperatura de Saída 302 ºF (150 ºC) Temperatura de Entrada 800ºF (426ºC) Recursos adicionais Para informações adicionais, contate a Spraying Systems. Dados de desempenho, artigos técnicos, especificações de produto, e oficinas e avaliações sem compromisso estão disponíveis mediante solicitação de: Temperatura de Saída 300ºF (148ºC) Temperatura de Saída 300ºF (148ºC) Dados Operacionais 1 Volume de gás: 225.199 cfm (328.616 Nm3/h) Temperatura de gás de entrada: 681 ºF (361 ºC) Dados Operacionais 3 Temperatura de exaustão alvo: 302 ºF (150 ºC) Instalação Volume de gás: 210.000 cfm (356.782 Nm3/h) 14 lanças equipadas com bicos atomizadores a ar de alta eficiência Temperatura de gás de entrada: 800ºF (426ºC) Pressão de ar: 40 psig (2,76 barg) Instalação Volume de ar: 44,1 cfm por lança (75 Nm3/h por lança) Duas lanças equipadas com bicos atomizadores a ar de alta eficiência Pressão de Ar: 60 psig (4,14 barg) Pressão de líquido: 47 psig (3,25 barg) Volume de Ar: 40 cfm por lança (68 Nm3/h por lança) Volume de líquido: 10,3 gpm por lança Pressão de Líquido: 75 psig (5,18 barg) (39 L/min por lança) Volume de Líquido: 23 gpm por lança (87,1 L/min por lança) Dmáx Operacional: 185 micrômetros Dmáx Operacional: 170 micrômetros INTERNATIONAL CEMENT REVIEW Temperatura de exaustão alvo: 300ºF (148ºC) Spraying Systems do Brasil Estrada Particular Yae Massumoto, 313 São Bernardo do Campo/SP +5511 2124-9509 www.spray.com.br