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
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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