Modelagem termodinâmica do processo de clínquer de cimentos como ferramenta para otimização do doseamento de farinhas cruas contendo materiais alternativos

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 17589 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

A valorização de resíduos ou subprodutos na produção de clínquer Portland é uma alternativa promissora para o desenvolvimento de cimentos sustentáveis. A complexidade das reações químicas durante a clínquer exige um método de dosagem adequado que considere o efeito das impurezas da matéria-prima para maximizar a potencial substituição de recursos naturais por resíduos ou subprodutos, garantindo ao mesmo tempo os requisitos de reatividade do clínquer. Este estudo propõe uma metodologia de dosagem de farinha crua para otimizar o coprocessamento de matérias-primas naturais com matérias-primas alternativas na produção de clínquer, pretendendo reduzir o teor de matérias-primas naturais necessárias, ao mesmo tempo que promove uma ótima reatividade do clínquer. Uma sequência de modelagem termodinâmica foi desenvolvida considerando a variabilidade da composição das matérias-primas e das temperaturas de aquecimento. O modelo foi então validado comparando os resultados da simulação com os resultados relatados em estudos anteriores. Um estudo de caso experimental foi realizado para validação do método proposto utilizando um catalisador de craqueamento catalítico fluido gasto (SFCC), um subproduto da indústria do petróleo, como fonte alternativa de alumina durante a clínquer. As simulações de modelagem indicaram que a substituição de matérias-primas naturais por 15% em peso de SFCC promove a formação de clínqueres reativos com mais de 54% de silicato tricálcico (C3S). Foram então produzidas misturas com potencial para formar o maior C3S e aplicados testes de fusibilidade por microscopia de aquecimento para avaliar a estabilidade dos clínquer. Os principais fatores que governam a reatividade e estabilidade das fases do clínquer foram o conteúdo da fase fundida, o módulo de alumina e a formação de C3S e silicato dicálcico (C2S). A autopulverização do clínquer durante o resfriamento foi observada em misturas selecionadas e está potencialmente associada à alta viscosidade e ao baixo teor de Fe na fase fundida. A estrutura proposta permite a otimização da dosagem de farinhas cruas contendo matérias-primas alternativas ricas em alumina para a produção de clínquer e permite uma interpretação mais profunda de conjuntos limitados de dados empíricos.

A produção mundial de cimento é de cerca de 4,3 mil milhões de toneladas por ano1, com um consumo médio de matéria-prima de cerca de 1,6 toneladas por cada tonelada de cimento fabricada2. A valorização de resíduos ou subprodutos de diferentes processos, como matérias-primas em fornos de cimento, é uma prática comum para reduzir os impactes ambientais associados à extracção de recursos naturais, aos custos de produção, ao volume de resíduos depositados em aterros e à emissão de gases com efeito de estufa3 . Além disso, esta abordagem tem um benefício sustentável, uma vez que a maioria dos elementos potencialmente contaminantes que podem estar presentes em matérias-primas alternativas são imobilizados ou solidificados no clínquer5. Por outro lado, elementos menores podem comprometer significativamente as propriedades do cimento, exigindo um método de dosagem adequado que considere as particularidades destes resíduos industriais.

As equações de Bogue estimam a composição teórica ou potencial do clínquer Portland5,6. Este método ou seus derivados, combinados com módulos químicos (alumina (AM), sílica (SM) e fator de saturação de cal (LSF)), são os mais utilizados para dosagem de farinha crua para pesquisa e aplicações industriais. Os cálculos assumem a reação completa das matérias-primas para formar compostos de clínquer em condições de equilíbrio e também ignoram o possível efeito de impurezas7. No entanto, as equações fornecem apenas composições aproximadas de clínquer e os clínquer industrial mostram ligeiras diferenças em relação às previsões teóricas. Além disso, os desvios podem ser ainda maiores quando há presença de impurezas devido a impactos na estabilidade da fase clínquer, impactando assim nas propriedades finais do cimento8. As variações de temperatura, a composição da atmosfera do forno, a presença de elementos minoritários e a ausência de condições de equilíbrio do resfriamento podem influenciar o desenvolvimento das fases do clínquer, reduzindo assim a precisão das composições de fases estimadas pelos cálculos de Bogue9,10. Além disso, elementos menores contidos em matérias-primas ou combustíveis alternativos influenciam o processo de clínquer11. A natureza e a quantidade destes constituintes podem levar a alterações notáveis ​​em vários aspectos, incluindo a morfologia e proporção das fases do clínquer12, a formação de fases menores13, a temperatura óptima de clinquerização14, o tempo de residência no forno15, a viscosidade da fase fundida16, as transformações no arrefecimento17, o polimorfismo das fases principais18 e reatividade do clínquer19. Neste cenário, a modelagem termodinâmica é uma ferramenta alternativa para considerar todas essas variáveis ​​e ampliar o escopo de materiais alternativos utilizáveis.