O cimento é um dos produtos mais amplamente utilizados no mundo. Mas a demanda é especialmente implacável na China, que lidera o mundo na produção de cimento. O cimento é um ingrediente essencial para o desenvolvimento de infraestrutura e habitação que suporta a população cada vez mais urbana do país e as megacidades em crescimento.
Embora a demanda consistente seja uma boa notícia para os produtores chineses, a produção de cimento é uma indústria que consome muita energia e depende fortemente do carvão como combustível.
"O carvão é uma das principais fontes de gases de efeito estufa", disse Alessandro Masiello, gerente, Rockwell Automation. "Os produtores chineses de cimento estão procurando maneiras não apenas de diminuir os custos de combustível, mas também de atender às regulamentações ambientais."
Recentemente, o principal produtor de cimento do país recorreu à Rockwell Automation para encontrar uma maneira melhor de otimizar seu processo, diminuir o consumo de combustível – e conter os custos.
Variáveis complexas
A produção de cimento é um processo complexo que começa no moinho de matérias-primas, onde o calcário e outros materiais são pulverizados e misturados. No forno, as matérias-primas são submetidas a altas temperaturas e transformadas em detritos de carvão. Os detritos de carvão são transferidos para o moinho de acabamento, onde são moídos e misturados com gesso para produzir o produto final.
Embora a produção de cimento consuma energia em cada etapa, o forno é um dos mais difíceis de otimizar.
As fábricas de cimento modernas normalmente usam fornos rotativos secos com calcinadores. O calcinador pré-aquece a matéria-prima a cerca de 900 °C (1650 °F). O processo de calcinação é concluído no forno, que aquece o material a cerca de 1200 °C (2200 °F). Para atingir essas temperaturas, o combustível é adicionado ao queimador principal do forno – e no nível do calcinador.
"Como a qualidade da matéria-prima e o valor calorífico do carvão são variáveis, as condições do processo no forno estão mudando constantemente", disse Tiger Xiaohu He, consultor da indústria de cimento, Rockwell Automation.
Além disso, ventiladores resfriam os detritos de carvão à medida que eles saem do forno – e o sistema recircula o ar quente resultante de volta para o calcinador. Embora o ar recirculado melhore a eficiência energética, ele adiciona outra variável ao processo.
Além disso, para manter a qualidade do produto, o material é testado periodicamente para garantir que o teor de cal livre permaneça dentro da faixa de 1–2 %. A quantidade de cal livre está diretamente relacionada à entrada de energia no forno.
O problema com o controle convencional
"A empresa de cimento usava malhas PID padrão para controlar um número limitado de variáveis", explicou Tiger Xiaohu He. "Mas, dado o alto número de variáveis em uma instalação de cimento, as malhas PID não podem realmente otimizar o processo."
Embora o produtor de cimento tenha enfrentado desafios semelhantes em toda a sua extensa rede de instalações, ele optou por se concentrar primeiro em sua instalação em Yiyang.
A instalação de Yiyang produzia 5000 toneladas de detritos de carvão por dia, usando cerca de 500 toneladas de carvão. Anualmente, a instalação consumia aproximadamente 165000 toneladas de carvão a um custo de USD 16.500.000,00 por ano. Para reduzir o consumo de carvão, a empresa sabia que precisava alcançar um melhor controle do uso de energia do forno.
"As temperaturas estavam flutuando amplamente no forno", disse Tiger Xiaohu He. "Para controlar as temperaturas, os operadores monitoravam o processo e reagiam a quaisquer flutuações manualmente."
Por exemplo, no queimador principal, os operadores monitoravam câmeras térmicas e, em seguida, ajustavam o fluxo de combustível para aumentar ou diminuir a temperatura. No calcinador, os operadores alteravam os setpoints de temperatura da malha PID para acionar adições de combustível conforme necessário.
"Os operadores estavam gastando 50–70 % do tempo monitorando e ajustando as temperaturas e as adições de combustível", disse Tiger Xiaohu He. "Mas, apesar de seus melhores esforços, eles não conseguiam melhorar a eficiência térmica do sistema."
Mais estabilidade do forno com MPC
Para alcançar uma operação de forno mais estável, a Rockwell Automation recomendou uma solução baseada em FactoryTalk Analytics PavilionX, uma plataforma de software de controle preditivo por modelo (MPC).
"FactoryTalk Analytics PavilionX MPC pode ser integrado a qualquer sistema de controle pré-existente", disse Jingkun Tang, gerente de desenvolvimento de negócios da Pavilion, Rockwell Automation. "Ele melhora o processo ao prever as saídas da instalação – e responder às variáveis de entrada e distúrbios do processo."
FactoryTalk Analytics PavilionX O MPC utiliza tecnologias de aprendizado de máquina supervisionado para construir modelos robustos e dinâmicos de processos multivariáveis. Ele analisa dados históricos e tendências de produção – assim como dados atuais de processo e de laboratório – e assume o controle para otimizar o desempenho.
Por exemplo, o software pode modelar e prever o impacto que a recirculação de ar quente terá na temperatura do calcinador. E então manipular automaticamente as adições de carvão para alcançar um produto de alta qualidade usando a quantidade ideal de combustível.
"Em uma aplicação como esta, tudo está interligado", disse Alessandro Masiello. "FactoryTalk Analytics PavilionX MPC permite controlar melhor a qualidade, o que permite reduzir o consumo de energia – e, eventualmente, aumentar a capacidade."
Estendendo os ganhos para as operações do moinho – e em toda a empresa
Focar no desempenho do forno foi uma maneira de a instalação de Yiyang otimizar o consumo de carvão. Mas a instalação também esperava reduzir o consumo de energia em outro processo intensivo em energia – suas aplicações de moinho.
Ao aplicar FactoryTalk Analytics PavilionX MPC tanto nos moinhos de matérias-primas quanto nos de acabamento, a instalação conseguiu controlar melhor variáveis como inconsistência de matéria-prima e moabilidade dos detritos de carvão – e otimizar o uso de energia.
"No geral, a solução ajudou a estabilizar a operação do forno e do moinho", disse Jingkun Tang. "O sistema mais estável reduziu significativamente a carga de trabalho do operador – e proporcionou uma economia de energia impressionante."
Com FactoryTalk Analytics PavilionX MPC, a instalação de Yiyang reduziu o consumo de carvão e energia no forno em até 2 % – e obteve economias adicionais nos moinhos. A redução no carvão representa uma economia anual de até USD 330.000,00 e permitiu que a instalação reduzisse dois subprodutos do consumo de carvão – emissões de dióxido de carbono (CO2) e óxido de nitrogênio (NOx).
"O projeto piloto na instalação de Yiyang foi altamente bem-sucedido", disse Jingkun Tang. "A empresa já estendeu a solução FactoryTalk Analytics PavilionX MPC para cinco instalações adicionais – com pelo menos mais cinco a caminho."
