A indústria cimenteira pode apresentar altas taxas de emissões de NOx nos gases de
exaustão dos fornos rotativos sob determinadas condições. O grau dessas emissões depende do tipo de combustível utilizado e do processo produtivo (U. S. EPA, 2000). As altas temperaturas necessárias ao processo de produção do clínquer, favorecem a formação de NOx.
Como já mencionado, O NO térmico e o NO do combustível são os mecanismos de formação de NOx mais relevantes nos fornos da indústria de fabricação de cimento. Altas
temperaturas e alta concentração de O2 são fatores que favorecem a formação do NO térmico
e prevenir estes fatores é basicamente a melhor tecnologia de controle (Hill e Smoot, 2000). Os combustíveis utilizados no processo de queima e a matéria-prima usada na produção do cimento podem conter quantidades significativas de nitrogênio, dando uma contribuição adicional a formação de NOx (NO do combustível e NO da matéria-prima).Usando o carvão
mineral como combustível primário com PCI de 27912 kJ/kg, para suprir uma demanda energética média de aproximadamente 5592 kJ/kg de clínquer, serão necessários 200 kg de carvão mineral para a produção de uma tonelada de clínquer. Considerando na composição química do carvão mineral um teor de nitrogênio de 1% em peso, e com uma conversão de 10% do nitrogênio contido no carvão a NOx, forma-se 0,7 kg de NOx (expresso como NO2)
por tonelada de clínquer (U.S. EPA, 1994). Entretanto, cabe mencionar que estes valores são referentes aos fornos longos operando com processos via seca e via úmida, ainda muito utilizados na época, pela indústria de cimento americana. Atualmente este parque industrial já obsoleto vem sendo gradativamente modernizado com novas instalações operando com fornos mais curtos com processo via seca, utilizando sistema de fornos dotados de preaquecedor/precalcinador que são mais eficientes energeticamente poluindo menos que os fornos longos seus antecessores.
Na maioria dos casos o calcário é a principal matéria-prima, constituído de mineral sedimentar que contém pequenas frações de nitrogênio contido em sua estrutura, possivelmente de origem orgânica. Estudos indicam que a concentração de nitrogênio na alimentação pode variar numa concentração de 20 a 1000 ppm, 100 ppm de nitrogênio contidos na alimentação de um forno, equivale à formação de aproximadamente 454 gramas de NOx /tonelada de clínquer (para 100% de conversão) (U.S. EPA, 2000). O mecanismo de
formação do NOx no forno para a produção de clínquer na indústria do cimento está
apresentado na Figura 51. Forno Chaminé Resfriador Coletor de pó Combustível N (s) Matéria-prima N (s) Clínquer NO3- (s) Material Particulado (CKD) - Gás (g) - Líquido (l) - Sólido (s) Ar N2 (g) NO3- (s) N2 (g) NOx (g) NO3- (s) Pó NO3- (s)
Figura 51 - Mecanismo de formação do NOx (Greer, 1989).
5.2.1 Forno com Preaquecedores em Suspensão com Queima no Duto de Ascenção.
Nos fornos rotativos dotados com sistemas de preaquecedores em suspensão (SP) até 25% do calor necessário ao processo pode vir da queima de combustíveis introduzidos no duto de ascensão, reduzindo as emissões de NOx. Esta redução esta associada possivelmente à
atmosfera redutora criada pela introdução direta do combustível na região de entrada do material no forno rotativo, na extremidade oposta ao queimador primário, no qual, o NOx
formado na zona primária é reduzido. Entretanto, quando as partículas de combustível finamente trituradas são queimadas no duto de ascensão do forno, a concentração de NOx nos
também contribui para um pequeno aumento das emissões de NOx no sistema do forno (U.S.
EPA, 2000). Um esquema de forno rotativo dotado de preaquecedor de 4 estágios é apresentado na Figura 52.
Figura 52 - Esquema de uma instalação de um forno rotativo com preaquecedor de 4 estágios. Adaptado de Limprasert (2003).
5.2.2 - Fornos com precalcinador - queima secundária
O precalcinador usa cerca de 60% da demanda total de combustível necessário para produção de clínquer, em um sistema de queima secundária. Desta forma, a necessidade de queima no queimador primário (ou maçarico principal) do forno rotativo fica reduzida para cerca de 40%. A queima do combustível na zona de queima secundária fornece o calor
necessário para a calcinação endotérmica do carbonato de cálcio (CaCO3) dado pela
Equação (5.1).
3 2
CaCO (s)→CaO(s) CO (g)+ (5.1)
O cru já calcinado é levado pelo fluxo de gás ao último ciclone onde é descarregado. Conforme a U.S. EPA (2000), em um forno com precalcinador com duto de ar terciário,
consome-se cerca de 50-60% do calor total requerido no processo e a quantidade de gases de combustão da zona de queima do forno é reduzida proporcionalmente. Por outro lado, as
concentrações de NOx nos gases vindos do forno rotativo podem ser significativamente
maiores que as concentrações de NOx nos preaquecedores do forno. A explicação para este
fato é provavelmente atribuída a pouca quantidade de material e ao tempo de retenção dos gases na zona de queima do precalcinador, combinada com a alta temperatura do ar secundário. A análise mais detalhada da tecnologia utilizada no precalcinador será discutida mais adiante nas tecnologias de controle de NOx. Um esquema de forno rotativo dotado de
preaquecedor de 4 estágios com precalcinador é apresentado na Figura 53.
Figura 53 - Esquema de uma instalação de um forno rotativo com preaquecedor de 4 estágios e precalcinador apresentando o perfil de temperatura do material sólido e do gás com seus
respectivos tempo de retenção dentro do sistema. Adaptado de Limprasert (2003). A Figura 54 apresenta os resultados das emissões de NOx expressos como g NO2/kg
clínquer em um sistema de forno dotado de precalcinador com ar terciário, utilizando uma mistura de combustíveis no processo de queima, dentre eles: carvão mineral, coque de petróleo, pneus e outros combustíveis alternativos.
Figura 54 - Emissões de NOx em função do tipo de combustível utilizado no processo de
queima em forno precalcinador com duto de ar terciário (Michaelsen, 2000).
Um combustível de alta reatividade reage ao começar a combustão tão rapidamente que, apesar de ter excesso de O2 suficiente para realizar a combustão, gera zonas redutoras parciais
por falta de O2 e isto se nota na produção intensiva de monóxido de carbono (CO). As zonas
redutoras impedem a formação de NOx e podem até reduzir as concentrações de NOx já
existentes.