L Industria del Cemento Informazioni generali

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1 L Industria del Cemento Informazioni generali Il cemento è un legante idraulico che si presenta sotto forma di una polvere finissima, inorganica, non metallica. E un legante in quanto ha la capacità di legare degli elementi solidi inerti. E idraulico in quanto indurisce e si lega alle materie inerti reagendo e combinandosi con l acqua e questa reazione può avvenire sia all aria sia sotto l acqua. Questo indurimento idraulico si deve soprattutto alla formazione di silicati idrati di calcio in seguito alla reazione tra l acqua aggiunta per la miscela e i componenti del cemento. Nel caso dei cementi alluminosi, l indurimento idraulico si deve alla formazione di alluminati idrati di calcio. Il componente fondamentale del cemento è un prodotto della cottura di minerali naturali, denominato clinker, il quale, combinato con altri componenti, dà luogo a vari tipi di cemento. Il clinker è costituito da componenti chimici molto semplici e molto comuni in natura: la calce: ha un carattere basico e proviene da rocce calcaree con carattere basico; la silice: ha un carattere acido e proviene dalle sabbie, argille e schisti; l alluminia: presente in molti elementi in concentrazioni variabili dal 4 al 10%; ossidi di ferro e di magnesio; altri componenti minori. Le proprietà macroscopiche del calcestruzzo, considerato come materiale omogeneo nel calcolo strutturale, dipendono dalle proprietà dei suoi elementi costituenti, ovvero oltre al cemento, l acqua, gli aggregati e gli additivi, come si può notare in figura. Il cemento è un materiale fondamentale per le costruzioni edili e le opere di ingegneria civile. In Europa, l uso del cemento e del calcestruzzo (una miscela di cemento, aggregati, sabbia e acqua) nelle grandi opere civili risale all antichità. Il cemento portland, il più usato nelle costruzioni in calcestruzzo, è stato brevettato nel La produzione dell industria del cemento è in relazione diretta con l andamento dell edilizia in generale e, quindi, rispecchia da vicino la situazione economica generale. Come mostra la fig. 1, la produzione mondiale di cemento ha fatto registrare una crescita costante fin dai primi anni cinquanta, con un incremento della produzione nei paesi in via di sviluppo, in primo luogo in Asia, che li ha visti salire al ruolo di protagonisti nell incremento della produzione mondiale di cemento dei primi anni novanta.

2 Fig. 1: Produzione di cemento nell Unione Europea, nel mondo e in Italia nel periodo Nel 2002 la produzione mondiale di cemento ha raggiunto milioni di tonnellate. La tab. 1 illustra la distribuzione della produzione cemento per aree geografiche: Tab.1: Produzione mondiale di cemento per aree geografiche nel Cina Resto dell Asia Europa occidentale Resto dell America Europa orientale 40% 18% 13% 7% 6% USA Giappone Africa Oceania 5% 5% 5% 1% In Italia, vengono prodotti diversi tipi di cementi, aventi caratteristiche di composizione e requisiti di resistenza conformi alla norma tecnica UNI EN 197/1; circa il 75% della produzione è rappresentata da cementi Portland, l'11% da cementi pozzolanici, mentre le percentuali di cementi d'altoforno e di cementi compositi sono, rispettivamente, del 5% e 9%. A causa degli alti costi legati al trasporto, i mercati per il cemento sono prevalentemente locali. Tuttavia, esiste un certo commercio globale, e in

3 alcuni casi è economicamente fattibile spedire il cemento in tutto il mondo. La concorrenza internazionale è una minaccia soprattutto per il singolo impianto, e all interno dell Unione Europea la crescente quota di importazioni provenienti dai Paesi dell Europa orientale influisce sulle condizioni del mercato locale. A titolo esemplificativo, si riporta la produzione ed il consumo di cemento nel Fig. 2: Produzione e consumo di cemento nell Unione Europea nel 1995 [Rapporto Cembureau, 1997] [Göller] Attualmente, circa l'83% della produzione europea di cemento deriva da processi a via secca, un altro 15% da processi a via semi-secca e semi-umida, mentre il resto, pari a quasi il 2%, è prodotto in cicli a via umida. L industria del cemento è un industria ad elevati consumi energetici, nella quale i costi energetici rappresentano circa il 40% dei costi di produzione. Tradizionalmente, il combustibile primario usato è il carbone, ma si usano anche molti altri combustibili, tra i quali coke di petrolio, gas naturale e olio. Oltre a questi tipi di combustibile, l industria del cemento da più di dieci anni impiega come combustibili vari tipi di rifiuti. Tab. 3 Consumo di combustibile dell industria europea del cemento [Rapporto Cembureau, 1997] Combustibile 1995 Coke del petrolio 39% Carbone 36% Olio combustibile 7% Lignite 6% Gas 2% Diversi tipi di rifiuti 10% L industria del cemento è un industria ad elevato impegno di capitali. Il costo di un nuovo cementificio è quasi equivalente al fatturato di tre anni, e ciò fa classificare l industria del cemento tra quelle a più elevato impegno di capitale. La redditività dell industria del cemento è di quasi il 10% in proporzione al volume d affari (sulla base dei profitti lordi prima del rimborso degli interessi).

4 L'Industria del Cemento in Italia L industria del cemento italiana, per quanto attiene al proprio profilo strutturale, ha mantenuto nel 2002 le ormai consolidate caratteristiche rappresentate da una distribuzione capillare dell apparato produttivo sul territorio nazionale, con un contenimento dei costi del trasporto e considerevoli vantaggi per i consumatori, e da un livello tecnologico avanzato, che garantisce una ottima qualità del prodotto ed elevati standard di tutela ambientale. La produzione di cemento nel 2002 è stata di tonnellate con la seguente ripartizione per processo: t con processo a via secca e semisecca e t con processo a via umida. La ripartizione delle cementerie per classi produttive è la seguente: Numero unità produttive Cemento (ton) Fino a t Da a t Da a t Da a t Oltre t Totale Tab. 4 Distribuzione territoriale delle Unità Produttive in Italia e loro produzione i tonnellate (anno ) Piemonte Liguria Lombardia Veneto Friuli Venezia Giulia Trentino Alto Adige Emilia Romagna Toscana Marche Umbria Lazio Abruzzo Molise Campania Puglia Calabria Basilicata Sardegna Sicilia Totale I consumi energetici Il costo per l approvvigionamento di fattori produttivi energetici costituisce per l industria cementiera un elemento di fondamentale importanza alla luce degli elevati consumi (il settore copre il 3,5 % dei consumi di energia elettrica e circa il 6,5 % dei consumi finali di energia termica dell industria italiana) e del peso relativo che tale voce di costo ha sul conto economico delle aziende produttrici.

5 Consumi energetici - anno 2002 % Energia elettrica KWh Metano mc Carbone t Olio combustibilie denso t Combustibili non convenzionali t Si riporta inoltre la tabella relativa ai dati europei per l anno 2002 sul recupero energetico di waste fuels nei forni da cemento per un confronto con le situazioni degli altri Paesi. Tab. 5 Recupero energetico di waste fuels nei forni da cemento Paese % Olanda 72 Norvegia 42 Svizzera 34 Germania 30 Francia 27 Austria 29 Inghilterra 6 Italia 4.8 Danimarca 4 Finlandia 3 Spagna 2 Polonia 1 Portogallo 1

6 Descrizione del processo di produzione del cemento Processi e tecnologie applicati La chimica fondamentale del processo di produzione del cemento è basata sulla decomposizione del carbonato di calcio (CaCO 3 ) a circa 900 C per formare ossido di calcio (CaO, calce) e liberare biossido di carbonio allo stato gassoso (CO 2 ); questo processo prende il nome di calcinazione. CaCO 3 + calore CaO + CO 2 La fase successiva è costituita dalla clinkerizzazione, nella quale l ossido di calcio reagisce ad alte temperature (tipicamente C) con silice, allumina e ossido ferroso per formare silicati, alluminati e ferriti di calcio che compongono il clinker. Il clinker viene quindi frantumato o macinato insieme al gesso e ad altre aggiunte per produrre il cemento. Le tre fasi sono schematizzate nella tabella : Le principali tipologie di processo per la fabbricazione del cemento sono: Processo a via secca: le materie prime sono macinate ed essiccate, dando così origine alla farina sotto forma di polvere. La farina cruda essiccata viene alimentata al preriscaldatore o al precalcinatore o, più raramente, ad un forno lungo nel quale si realizzano le tre fasi per via secca. Processo a via semi-secca: la farina cruda essiccata viene pellettizzata con acqua e alimentata ad un preriscaldatore a griglia che si trova prima del forno oppure in un forno lungo dotato di crociere. Processo a via semi-umida: lo slurry (pasta) viene dapprima disidratato nelle filtro-presse. Il pane compresso viene estruso sotto forma di pellets ed immesso in un preriscaldatore a griglia o direttamente nell essiccatore idoneo per produrre la farina cruda. Processo a via umida: le materie prime (spesso contenenti un elevata percentuale di umidità) sono frantumate in acqua per formare uno slurry pompabile. Lo slurry può essere immesso direttamente nel forno oppure passare prima in un apposito essiccatore. La fig. 3 da un quadro generale del processo a via secca con preriscaldatore a cicloni e precalcinatore.

7 Fig. 3: Tipico processo a via secca con forno precalcinatore La scelta del processo dipende in misura notevole dallo stato delle materie prime (secche o umide). Gran parte della produzione mondiale di clinker si fonda ancora su processi a via umida. Tuttavia, in Europa, la disponibilità di materie prime asciutte fa sì che più del 75% della produzione si basi su processi a via secca. I processi a via umida consumano più energia e, quindi, sono più costosi. Gli impianti che applicano il processo a via semi-umida saranno probabilmente convertiti alla via secca nel momento in cui sarà necessario ingrandirli o adeguarli. Tutti i processi hanno in comune le seguenti fasi: estrazione delle materie prime; stoccaggio e preparazione delle materie prime; stoccaggio e preparazione del combustibile; cottura del clinker; macinazione e stoccaggio del cemento; imballaggio e spedizione. Estrazione delle materie prime Le rocce generalmente impiegate sono di due tipi: il primo è costituito prevalentemente da carbonato di calcio, materiale molto diffuso nelle nostre zone montuose; il secondo tipo, anch esso molto diffuso, è costituito da argille o calcari marnosi che contengono, oltre al carbonato di calcio, anche notevoli percentuali di silicato di alluminio e ferro. Anche le ceneri prodotte dalle centrali termoelettriche, le scorie d altoforno e altri residui di processi industriali possono essere usati, in funzione della loro idoneità dal punto di vista chimico, per sostituire, almeno in parte, le materie prime naturali. La tab. 6 elenca i tipi di rifiuti oggi più usati come materie prime nella produzione del cemento in Europa. Tab. 6 Tipi di rifiuti usati come materie prime nell industria europea del cemento [Cembureau] Ceneri volanti Scorie d altoforno Alluminia Scorie di ferro Fanghi di cartiera Ceneri di pirite Gesso di desolforazione L estrazione di quasi tutte le materie prime naturali richiede una serie di operazioni di escavazione ed estrazione in cave a cielo aperto. Le operazioni necessarie comprendono perforazione dello strato roccioso, abbattimento con esplosivi, scavo, trasporto e frantumazione. Dopo una prima frantumazione, le materie prime vengono trasportate al cementificio, dove vengono stoccate e sottoposte ad ulteriore lavorazione. Altre materie prime, quali, ad esempio, bauxite, minerale di ferro, scorie d altoforno o terre di fonderia, derivano da altri processi industriali.

8 Stoccaggio e preparazione delle materie prime La preparazione delle materie prime è molto importante per il sistema del forno, sia per ottenere la giusta composizione chimica della farina, sia per garantire che la stessa sia abbastanza fine. Stoccaggio delle materie prime La necessità di usare depositi coperti dipende dalle condizioni climatiche e dalla quantità di polveri fini presenti nelle materie prime che escono dall impianto di frantumazione. Nel caso di un impianto da t/giorno, questi depositi possono contenere una quantità compresa tra e t di materiale. Il "crudo" che deve essere alimentato al forno deve avere caratteristiche chimiche quanto più omogenee. Ciò si ottiene controllando la quantità di materiale che viene immesso all interno dell impianto di macinazione del crudo. Se il materiale proveniente dalla cava è qualitativamente disomogeneo, un iniziale premiscelazione si può ottenere stoccando il materiale in file o in strati nel senso longitudinale (o intorno alla circonferenza) del deposito e prelevandolo poi per sezioni trasversali. Se il materiale proveniente dalla cava è abbastanza omogeneo, può essere stoccato e prelevato secondo criteri più semplici. Le materie prime da usare in quantità relativamente piccole, per esempio le aggiunte minerali, possono essere immagazzinate in sili o depositi. Macinazione delle materie prime I componenti in alimentazione al mulino devono essere dosati con estrema cura, per ottenere una composizione chimica adeguata; questo è indispensabile per garantire sia un funzionamento regolare del forno, sia un prodotto di alta qualità. Dosare e proporzionare accuratamente i componenti è anche un importante fattore nell efficienza energetica del sistema di macinazione. Le attrezzature più usate, per dosare e proporzionare la carica di materie prime che viene immessa nei mulini, sono i nastri trasportatori alimentatori seguiti dai nastri trasportatori pesatori. Macinazione delle materie prime, processo a via secca o semi-secca Le materie prime, in proporzioni controllate, sono macinate e miscelate per formare una miscela omogenea avente l'opportuna composizione chimico-fisica. Per i processi a via secca e semisecca, i componenti delle materie prime sono macinati ed essiccati fino ad ottenere una polvere fine, recuperando principalmente i gas esausti del forno e/o i gas provenienti dal raffreddatore. Per le materie prime che hanno un contenuto di umidità relativamente elevato e per le fasi di avvio può essere necessario disporre di un generatore di gas caldi (fornello ausiliario) per fornire ulteriore calore. I sistemi di macinazione a via secca normalmente usati sono: mulino tubolare, a scarico centrale; mulino tubolare, a getto d aria; mulino verticale a pista e rulli di forma tondeggiante; mulino orizzontale a pista e rulli. La finezza e la distribuzione granulometrica del prodotto che esce dall impianto di macinazione è molto importante per il successivo processo di cottura. I valori richiesti di questi due parametri si ottengono regolando il separatore usato per classificare il prodotto lavorato nel mulino. La classificazione a via secca si esegue per mezzo di separatori ad aria. Le macchine dell ultima generazione, i separatori con gabbia a rotore, offrono diversi vantaggi, tra cui: minore consumo energetico specifico del sistema di macinazione (minore produzione di fini); maggiori quantità di materiale macinato (rendimento della separazione);

9 migliore distribuzione granulometrica e maggiore omogeneità del prodotto. Macinazione delle materie prime, processo a via umida o semi-umida La macinazione a via umida si usa solo in combinazione con un sistema forno a via umida o semiumida. I componenti del crudo vengono macinati con aggiunta di acqua, in modo da formare uno slurry (pasta). Per ottenere la finezza desiderata dello slurry, necessaria per ottemperare ai moderni requisiti di qualità, la soluzione principale è rappresentata dai sistemi di macinazione a circuito chiuso. Il processo a via umida è normalmente preferito quando si utilizzano materie prime con un tenore di umidità superiore al 20% in peso. Materie prime quali chalk, marna o argilla, che sono coesive e ad elevata umidità intrinseca, sono friabili e in una prima fase della preparazione possono essere macinate in un mulino di lavaggio. Il materiale in pezzatura viene immesso nel mulino di lavaggio insieme ad una certa quantità d acqua per essere ridotto a slurry per effetto di azioni di taglio e di urto impartite da lame rotanti. Una volta raggiunta la giusta finezza granulometrica, il materiale passa attraverso i vagli posti sulla parete del mulino e viene pompato al deposito di stoccaggio. Per ridurre lo slurry alla finezza desiderata, è di solito richiesta un ulteriore macinazione in un mulino tubolare, soprattutto se è necessario aggiungere altro materiale crudo, per esempio sabbia. Al fine di ridurre il consumo di combustibile del forno, l aggiunta dell acqua durante la macinazione delle materie prime viene controllata in modo da usarne la quantità minima per ottenere uno slurry con la densità e le caratteristiche di pompabilità richieste (32-40% d acqua in peso). Lo slurry può essere diluito con aggiunta di alcuni additivi chimici, così da ridurre il contenuto d acqua. Omogeneizzazione e stoccaggio della farina cruda o dello slurry Per raggiungere la consistenza ottimale che la miscela del crudo deve avere prima di essere immessa in qualsiasi tipo di forno, la farina cruda o lo slurry che si ottengono dal processo di macinazione devono essere sottoposti ad un ulteriore trattamento di miscelazione/omogeneizzazione. La farina cruda è omogeneizzata e stoccata nei sili, mentre lo slurry in serbatoi o sili. La farina cruda viene trasportata ai sili nei quali sarà immagazzinata per mezzo di sistemi pneumatici e meccanici. I trasportatori meccanici richiedono, di solito, investimenti più elevati rispetto ai sistemi di trasporto pneumatico, ma hanno costi operativi molto più bassi. Il sistema oggi più diffuso è costituito da una combinazione di trasportatori con canalette ad aria o a coclea/catena con elevatore a tazze. Stoccaggio e preparazione dei combustibili Diverse sono le tipologie di combustibili che possono essere utilizzati per fornire al processo il calore necessario. Per quanto riguarda i forni da cemento, tre sono i combustibili principalmente usati e precisamente (in ordine decrescente di importanza): polverino di carbone e coke di petrolio; olio combustibile; gas naturale. Le ceneri dei combustibili solidi e liquidi sono costituite principalmente da composti di silice ed allumina, i quali, combinandosi con le materie prime in cottura, diventano parte del clinker. Questo deve essere tenuto presente ai fini della determinazione del dosaggio delle materie prime: è, pertanto, auspicabile usare un combustibile che abbia un tenore di cenere costante, anche se non necessariamente basso. L industria europea del cemento usa principalmente coke di petrolio e carbone (carbone nero e lignite).

10 Ragioni di costo precludono, di norma, l impiego del gas naturale o di olio, ma la scelta del combustibile dipende dalla situazione locale (per esempio, disponibilità di carbone nazionale). Tuttavia, date le temperature elevate e i lunghi tempi di permanenza nel sistema del forno, le possibilità che le sostanze organiche vengano distrutte sono considerevoli; ciò consente l impiego di una vasta gamma di combustibili meno costosi, soprattutto di diversi tipi di rifiuti. Per contenere al minimo le perdite di calore, i forni da cemento operano con livelli di eccesso di ossigeno ragionevolmente basso. Per tale motivo il combustibile deve essere dosato in modo molto uniforme e affidabile; inoltre, deve avere caratteristiche fisiche che consentano la combustione agevole e completa. Tali condizioni sono soddisfatte da tutti i combustibili liquidi e gassosi; per quanto riguarda l uso di combustibili solidi, dette condizioni possono essere soddisfatte solo se tramogge, nastri trasportatori e alimentatori sono progettati adeguatamente. Il combustibile principale deve essere costituito in prevalenza (65-85%) da materiale che brucia facilmente, mentre il restante 15-35% può essere alimentato sotto forma di materiale frantumato o grossolano. Stoccaggio dei combustibili Il carbone ed il coke di petrolio si conservano come le materie prime; pertanto, in molti casi, in depositi coperti. Lo stoccaggio all aperto in grandi cumuli compattati è destinato alle scorte a lungo termine; i cumuli possono essere seminati a erba per prevenire l erosione dovuta all azione della pioggia e del vento. Nel caso dello stoccaggio all aperto, il drenaggio si è dimostrato problematico. Tuttavia, un rivestimento di calcestruzzo al di sotto del cumulo di materiale consente di raccogliere e, successivamente, depurare l acqua di scarico. Una buona compattazione ed adeguata altezza del cumulo di materiale deve essere prevista con carbone contenente una percentuale relativamente elevata di componenti volatili, onde evitare il rischio di accensione spontanea, qualora lo stoccaggio si protraesse per lunghi periodi. Il polverino di carbone ed il coke di petrolio sono conservati esclusivamente nei sili. L olio combustibile si conserva in serbatoi verticali di acciaio, che generalmente sono isolati termicamente per mantenere un alto livello di temperatura che ne consente la pompabilità (50-60 C). I serbatoi possono inoltre essere dotati di punti di estrazione riscaldabili, in modo da mantenere localmente l olio alla giusta temperatura. Il gas naturale non viene stoccato nel cementificio. La rete di distribuzione nazionale ad alta pressione funge da impianto di stoccaggio del gas. Preparazione dei combustibili I combustibili solidi vengono di solito preparati (frantumati, macinati e essiccati) sul posto. Il carbone ed il coke di petrolio sono ridotti in polvere fino a raggiungere quasi la finezza (residuo del 5-6% a 90μm) alla quale viene portata la farina negli impianti di macinazione, usando un attrezzatura simile a quella degli impianti di macinazione per le materie prime. La finezza del polverino di carbone è importante, in quanto se è troppo fine la fiamma può raggiungere temperature troppo elevate, mentre se è troppo grossolano la combustione può essere povera. I combustibili solidi scarsamente volatili o contenenti una bassa percentuale di componenti volatili vengono macinati più finemente. Se la quantità di aria calda dal forno o dal raffreddatore non è sufficiente per l essiccazione, si può ricorrere ad un fornello ausiliario. I tre tipi principali di sistemi di macinazione e frantumazione del carbone sono: mulino tubolare, a getto d aria; mulino verticale a pista e rulli o a sfere; mulino ad urto.

11 Il combustibile solido frantumato può essere immesso direttamente nel forno, ma nei moderni impianti viene di solito stoccato in sili, per consentire l uso di bruciatori termicamente più efficienti (combustione indiretta) che usano poca aria primaria. I sistemi per la frantumazione, lo stoccaggio ed alimentazione dei combustibili solidi devono essere progettati e gestiti in modo tale da prevenire il rischio di incendi o esplosioni. I requisiti fondamentali sono il controllo adeguato della temperatura dell aria e la prevenzione dell accumulo di materiale fine in punti morti esposti al calore. Relativamente all'olio combustibile, per facilitarne il dosaggio e la combustione, viene portato a C, riducendo in tal modo la viscosità a cst; parimenti, la pressione viene aumentata a bar. Per il gas naturale, la pressione del gas viene portata da bar del gasdotto a 3-10 bar della rete del cementificio; quindi, la pressione deve essere ulteriormente diminuita fino a raggiungere la pressione di alimentazione del bruciatore (circa 1 bar - sovrapressione). La prima riduzione della pressione si compie nella stazione di trasferimento del gas, dove viene misurato anche il consumo. I rifiuti immessi attraverso il bruciatore principale vengono decomposti nella zona di combustione primaria, a temperature fino a 2000 C. I rifiuti immessi attraverso il bruciatore secondario, il preriscaldatore o il precalcinatore sono bruciati a temperature di circa 1000 C. Nella tab. 7 sono elencati i tipi di rifiuti usati più frequentemente come combustibili in Europa. Tab. 7 Tipi di rifiuti usati come combustibili nell industria europea del cemento [Cembureau] Pneumatici usati Oli usati Fanghi di depirazione essicati Gomma Residui della lavorazione del legno Plastica Carta RDF-CDR Solventi usati I diversi tipi di rifiuti da usarsi come combustibili sono di solito preparati al di fuori del cementificio dal fornitore o da ditte specializzate nel trattamento dei rifiuti. Cottura del clinker È la parte più importante del processo in termini di emissioni potenzialmente inquinanti, qualità e costo del prodotto. Nella cottura del clinker, la farina cruda (o lo slurry se il processo è a via umida) viene immessa nel forno rotante dove viene sottoposta a processo di essiccazione, preriscaldamento, calcinazione e sinterizzazione per produrre così il clinker. Questo viene dapprima raffreddato con aria e poi stoccato per l uso successivo. Nel processo di cottura del clinker è importante che le temperature della carica del forno oscillino intorno a C e le temperature del gas siano di circa 2000 C. Inoltre, il clinker deve essere cotto in condizioni ossidanti. Di conseguenza, è necessario che nella zona di sinterizzazione del clinker ci sia un eccesso d aria. Il forno rotante fece la sua comparsa nell industria del cemento intorno alla fine del secolo XIX (1895) e da allora è diventato il fulcro di tutti i moderni impianti di produzione del clinker. Il forno a tino verticale si usa ancora per la produzione della calce, ma solo in alcuni paesi trova tuttora impiego per la produzione del clinker di cemento, e in tali casi solo negli impianti più piccoli.

12 Fig. 4 Forno rotante lungo con catene funzionante a via umida [Rapporto Cembureau 1997] I primi forni rotanti erano lunghi e lavoravano a via umida, come quello della fig. 4, dove il processo termico si svolge tutto nel forno stesso. Con l introduzione del procedimento a via secca, il processo è stato ottimizzato con l impiego di tecnologie che consentono di eseguire le procedure di essiccazione, preriscaldamento e calcinazione in un unico impianto fisso, anziché nel forno rotante. Il forno rotante consiste in un cilindro di acciaio con rapporto lunghezza/diametro di 10:1 e 38:1. Il cilindro, che è sostenuto da due-sette o più punti di supporto, ha un inclinazione del 2,5-4,5%; un motore fa ruotare il forno intorno al proprio asse ad una velocità di 0,5-4,5 giri/min. La combinazione dell inclinazione del cilindro e del movimento di rotazione fanno sì che il materiale si sposti lentamente lungo lo stesso. Per resistere agli altissimi picchi di temperatura che si raggiungono, tutto il forno è rivestito di mattoni resistenti al calore (refrattari). Tutti i forni lunghi, e anche alcuni corti, sono dotati di accessori interni (catene, crociere, camme) per una migliore trasmissione del calore. Durante la sua marcia nel forno, la materia cruda attraversa le seguenti fasi: disidratazione: evaporazione dell acqua libera e combinata alla temperatura di circa 700 C; decarbonatazione e calcinazione: liberazione dell anidride carbonica e volatilizzazione degli alcali fra 900 e ; cottura (clinkerizzazione): formazione di compositi chimici aventi proprietà idrauliche, grazie a reazioni chimiche che hanno luogo a temperature molto elevate, partendo da C fino a giungere a circa C. In relazione al processo e alle materie prime usate e ad altri fattori, sulla superficie interna del forno possono formarsi depositi temporanei di materiale. Questi prendono il nome di anelli e possono essere localizzati all estremità dell alimentazione (anelli di gesso), in prossimità della zona di sinterizzazione (anelli di clinker) o all estremità dello scarico del prodotto (anelli di cenere). Gli ultimi due tipi di anelli possono staccarsi all improvviso facendo fuoriuscire dal forno un flusso di materiale caldo, di qualità scadente, che normalmente viene poi riciclato. Depositi di materiale possono formarsi anche nei cicloni e nelle griglie dei forni con preriscaldatore, con conseguente interruzione del funzionamento del sistema. Avvio del forno Il combustibile introdotto attraverso il bruciatore primario genera la fiamma principale, che arriva a temperature dell ordine di 2000 C. Per ragioni legate all ottimizzazione del processo, la fiamma deve essere, entro certi limiti, regolabile. In un moderno bruciatore ad alimentazione indiretta, la fiamma è modellata e regolata dall aria primaria (10-15% dell aria di combustione totale). Teoricamente, il combustibile può essere immesso nel forno nei seguenti modi:

13 attraverso il bruciatore principale sito all estremità dello scarico del forno rotante; attraverso uno scivolo di alimentazione posto nella camera di transizione all estremità d ingresso del forno rotante (per combustibili in pezzi); attraverso bruciatori secondari sul condotto ascendente; attraverso bruciatori di precalcinazione nel precalcinatore; attraverso uno scivolo di alimentazione verso il precalcinatore (per combustibili in pezzi); attraverso una valvola mediana del forno nel caso di forni lunghi a via umida e a via secca (per combustibili in pezzi). Gli impianti alimentati a carbone/coke di petrolio sono normalmente ad alimentazione indiretta, cioè operano con attrezzature di stoccaggio e dosaggio del polverino. Se la viscosità e la pressione lo consentono, l olio combustibile viene immesso nel forno attraverso un ugello nebulizzatore, così da formare la fiamma principale, che viene regolata prevalentemente tramite bruciatori a più canali per l aria primaria (con al centro la testa del nebulizzatore dell olio). Anche i bruciatori per il gas naturale sono progettati in conformità al principio del multicanale, in modo che il gas possa sostituire non solo il carbone o l olio, ma anche l aria primaria. Forni rotanti lunghi I forni rotanti lunghi (fig. 5) possono essere alimentati con slurry, biscotti filtrati in pezzi, noduli o farina secca e, quindi, sono adatti per tutti i processi. I forni lunghi più grandi, che possono misurare anche oltre 200 m di lunghezza, hanno un rapporto lunghezza/diametro di 38:1. Questi enormi sistemi producono circa t/giorno applicando il processo a via umida (Belgio, USA, ex URSS). I forni rotanti lunghi sono progettati per essiccare, preriscaldare, calcinare e sinterizzare, in modo che si renda necessario integrare il sistema solo con l alimentazione e il raffreddamento. La parte superiore dei forni lunghi è dotata di schermi a catena e di impianti fissi in modo da migliorare la trasmissione di calore. I forni a via umida, in uso fin dal 1895, sono i più vecchi forni rotanti utilizzati per la produzione del clinker; inizialmente le materie prime venivano preparate a via umida, in quanto l omogeneizzazione era più semplice con materiale liquido. La carica di un forno a via umida contiene tipicamente il 32-40% d acqua, che è necessaria per mantenere le caratteristiche liquide della carica. L acqua viene, quindi, fatta evaporare nella zona di essiccazione specificamente progettata, nella sezione aperta del forno, nella quale si usa una percentuale significativa del calore prodotto dalla combustione. Questa tecnologia è caratterizzata da un elevato consumo di calore, con conseguente emissione di alte quantità di gas esausti e di vapore acqueo. I forni rotanti lunghi si sono sviluppati negli Stati Uniti, mentre, in Europa, a causa dell elevato consumo di combustibile, sono poche le installazioni di questo tipo.

14 Fig. 5 Forno lungo Forni rotanti con preriscaldatore I forni rotanti dotati di preriscaldatore hanno tipicamente un rapporto lunghezza/diametro compreso tra 10:1 e 17:1. Il preriscaldatore può essere di due tipi, a griglia oppure in sospensione. La tecnologia dei preriscaldatori a griglia Il preriscaldatore a griglia, meglio noto forse come forno Lepol (fig.6), fu inventato nel Esso rappresentava il primo approccio allo sviluppo di parte del processo di clinkerizzazione in un impianto fisso esterno al forno. Questa soluzione consentiva di ridurre la lunghezza del forno rotante, diminuendo in tal modo anche le perdite di calore e accrescendo il rendimento energetico. Nei preriscaldatori a griglia (fig. 6) i noduli ricavati dalla farina cruda tramite apposito disco (processo a via semi-secca) o dai biscotti filtrati dallo slurry tramite estrusore (processo a via semiumida) vengono immessi su una griglia orizzontale attraverso un tunnel chiuso. Questo è suddiviso in una camera per il gas caldo e un altra per l essiccazione, suddivise da un divisorio avente un apertura per la griglia. Un ventilatore attira i gas esausti dal forno verso la parte superiore del preriscaldatore, attraverso lo strato di noduli della camera per il gas caldo e, quindi, attraverso i cicloni del collettore intermedio di raccolta della polvere. I cicloni rimuovono le particelle di polvere più grosse, che altrimenti usurerebbero il ventilatore. Il ventilatore successivo attira il gas alla sommità della camera di essiccazione, attraverso lo strato umido dei noduli e infine lo espelle nel collettore per la polvere. Per raggiungere un rendimento termico ottimale, i preriscaldatori a griglia che lavorano a via semi-umida possono essere attrezzati con sistemi per il gas a triplo passaggio, mentre l aria esausta del raffreddatore viene usata per essiccare il crudo. Il gas esausto del forno rotante entra nel preriscaldatore alla temperatura di C. Attraversando lo strato di materiale che incontra nella camera del gas caldo, il gas esausto si raffredda fino a C, per uscire quindi dalla camera di essiccazione a C. Il materiale da cuocere raggiunge una temperatura di circa 150 C nella camera di essiccazione e di C nella camera di calcinazione.

15 Fig. 6 Forno a griglia Lepol Il preriscaldatore in sospensione L invenzione del preriscaldatore in sospensione risale ai primi anni trenta e rappresentò un importante evoluzione del processo di clinkerizzazione. La farina cruda essiccata (processi a via secca/semiumida) viene preriscaldata ed anche parzialmente calcinata, mentre è tenuta in sospensione con i gas caldi provenienti dal forno. Una superficie di contatto notevolmente più ampia permette uno scambio termico completo ed efficace. Sono disponibili diversi sistemi di preriscaldatori in sospensione. Gli stadi dei cicloni sono usualmente in numero compreso tra quattro e sei e sono disposti uno sull altro a formare una torre di altezza variabile tra 50 e 120 m. lo stadio in posizione più elevata può essere costituito da due cicloni paralleli per una migliore separazione della polvere. Il gas esausto proveniente dal forno fluisce attraverso i vari cicloni dal basso verso l alto. La farina cruda finemente macinata si mescola con il gas esausto in controcorrente; essa è separata dal gas nei cicloni e si ricongiunge ad esso prima dello stadio di cicloni successivo. Questa procedura si ripete per ogni stadio finché il materiale viene scaricato dall ultimo ciclone nel forno rotante. Questo processo ciclico di miscelazione, separazione e rimescolamento avviene a temperatura elevata per ottimizzare lo scambio termico. Il preriscaldatore a cicloni a quattro stadi Il forno con preriscaldatore a cicloni a quattro stadi rappresentava lo standard tecnologico negli anni settanta, quando furono costruiti molti impianti con capacità dell ordine di t/giorno. Il gas esausto, con temperatura di circa 330 C, viene di norma utilizzato per essiccare le materie prime in alimentazione al mulino crudo. Quando la farina entra nel forno rotante, la calcinazione è già completata per circa il 30%. I preriscaldatori a quattro stadi possono avere problemi in presenza di eccessive quantità di sostanze volatili (cloruri, zolfo, alcali), derivanti dalla farina o dal combustibile; infatti, cicli produttivi molto ricchi di tali sostanze formano depositi sulle pareti dei cicloni e delle condotte, che spesso sono causa di ostruzioni, le quali bloccano il funzionamento del forno per diversi giorni.

16 Il problema viene risolto con un by-pass del gas del forno, vale a dire con l estrazione della parte della corrente gassosa carica di particelle che esce dal forno, in modo che questa superi il sistema dei cicloni. Il gas del by-pass viene raffreddato per condensare gli alcali e, quindi, convogliato verso il depolveratore prima di essere scaricato. Mentre in particolari zone geografiche, per controllare il livello degli alcali nel clinker, la polvere di by-pass e parte delle polveri del forno devono essere avviate a discarica, in tutti gli altri casi questi materiali vengono reimmessi nel processo produttivo. Quasi tutti i preriscaldatori in sospensione a quattro stadi funzionano con forni rotanti a tre supporti. Questa è stata la configurazione standard fino al Forni di 3,5-6 m di diametro sono stati costruiti con rapporto lunghezza/diametro compreso tra 13:1 e 16:1. Più semplici dal punto di vista meccanico rispetto ai forni lunghi a via umida e secca, essi costituiscono il tipo di forno forse più usato al giorno d oggi. Fig. 7 Rappresentazione schematica di diversi preriscaldatori [Ullmann, 1986] I forni rotanti con preriscaldatore e precalcinatore La precalcinazione è stata introdotta negli anni '70; questa tecnologia prevede che l immissione del calore sia suddivisa in due punti. La combustione primaria del combustibile deve avvenire nella zona di combustione del forno (testata); la combustione secondaria avviene in una camera di combustione posta tra il forno rotante e il preriscaldatore. In un tipico forno con preriscaldatore, in questa camera può essere bruciato fino al 60% di tutto il combustibile. Quest energia viene sfruttata fondamentalmente per la calcinazione della farina cruda, che è così quasi completamente calcinata quando entra nel forno. L aria calda per la combustione nel calcinatore viene convogliata dal raffreddatore. Il materiale esce dal calcinatore ad una temperatura di circa 870 C.

17 La fig. 8 illustra il procedimento con riferimento a un forno con preriscaldatore in sospensione. Per un forno rotante di determinate dimensioni, la precalcinazione accresce la capacità produttiva di clinker. I primi sistemi con precalcinatore avevano solo quattro stadi di preriscaldamento e, di conseguenza, la temperatura del gas esausto ed il consumo del combustibile erano più elevati. Laddove l umidità delle materie prime è modesta, i preriscaldatori a sei stadi sono la tecnologia di elezione, soprattutto se associati ai depolveratori costituiti da filtri a tessuto. In presenza di quantità eccessive di sostanze volatili in alimentazione, è indispensabile un by-pass del gas del forno, al fine di garantire il funzionamento continuo dell impianto. Tuttavia, per le diverse caratteristiche di flusso del gas, un by-pass installato nei forni con precalcinatore è molto più efficiente di quello installato nei forni direttamente collegati con un preriscaldatore. Nonostante che la farina immessa nel forno sia calcinata per il 75-95%, la maggior parte dei forni con precalcinatore è ancora equipaggiata con forno rotante provvisto di zona di calcinazione, ossia con un rapporto lunghezza/diametro di 13:1-16:1, come nel caso dei forni direttamente collegati al preriscaldatore. Fig. 8 Forno a cicloni

18 I gas esausti del forno In tutti i sistemi di cottura i gas esausti vengono convogliati in un dispositivo antinquinamento (filtro elettrostatico o a tessuto), che trattiene la polvere prima dell'immissione in atmosfera. Nei processi a via secca, i gas esausti hanno una temperatura relativamente alta e normalmente forniscono calore per il mulino del crudo, quando questo è in funzione (marcia combinata). Se il mulino del crudo non è in esercizio (marcia diretta), i gas vengono raffreddati spruzzando acqua in una torre di condizionamento prima di inviarli nei presidi tecnici di filtrazione, al duplice scopo di ridurne il volume e di migliorarne le caratteristiche di precipitazione (resistività polveri). Disinnesto del sistema per la presenza di CO Il monossido di carbonio può svilupparsi da qualsiasi componente organico presente nelle materie prime e, a volte, anche in caso di combustione incompleta del combustibile. La quota proveniente dal preriscaldamento delle materie prime viene eliminata con i gas del forno. Il costante controllo dei livelli di CO è critico per i forni da cemento che impiegano elettrofiltri, poichè si deve garantire che le concentrazioni siano tenute ben al di sotto del più basso limite esplosivo. Se la concentrazione di CO nei precipitatori elettrostatici aumenta (fino allo 0,5% in volume), allora il sistema elettrico viene fatto scattare (viene spento), così da ridurre il rischio di esplosioni; ciò produce una rilevante emissione di particolato non filtrato dal forno. Il fenomeno di disinserimento dei filtri per il CO può essere causato anche da un funzionamento instabile del sistema di combustione. Questo si può verificare, talvolta, quando si usano combustibili solidi; pertanto i sistemi di alimentazione dei combustibili solidi devono essere progettati in maniera tale da prevenire il sovraccarico del combustibile nel bruciatore. Il tenore di umidità dei combustibili solidi costituisce un fattore particolarmente importante, da questo punto di vista, e deve essere tenuto sotto rigorosa sorveglianza al fine di prevenire l interruzione o l arresto dei sistemi di preparazione e alimentazione del combustibile. I raffreddatori del clinker Il raffreddatore del clinker è parte integrante della linea di cottura ed influisce in misura determinante sul rendimento e sull economicità dell impianto. Il raffreddatore ha una duplice funzione: recuperare quanto più calore possibile dal clinker caldo (1450 C) per restituirlo al processo e ridurre la temperatura del clinker ad un livello adeguato per le apparecchiature che si trovano a valle. Il calore viene recuperato preriscaldando l aria usata per la combustione principale e secondaria, fino ad avvicinare, quanto più possibile, il limite termodinamico. Tuttavia, a ciò si oppongono le alte temperature, l estrema abrasività del clinker e l ampiezza del suo fuso granulometrico. Un rapido raffreddamento fissa la composizione mineralogica del clinker per migliorarne la macinabilità e ottimizzare le caratteristiche di reattività del cemento. I problemi che tipicamente si hanno con i raffreddatori del clinker sono l espansione termica, l usura, l inadeguatezza del flusso d aria e l insufficiente disponibilità, che lavorano contro i predetti requisiti. Macinazione e stoccaggio del cemento Stoccaggio del clinker Il clinker e gli altri costituenti del cemento sono stoccati nei sili o in capannoni chiusi. I sistemi più comuni di stoccaggio del clinker sono: depositi longitudinali con scarico per gravità (riserve limitate); depositi circolari con scarico per gravità (riserve limitate); sili di stoccaggio (riserve ingenti); cupole di stoccaggio (riserve limitate).

19 Macinazione del clinker Il cemento portland si produce macinando insieme clinker e solfati, quali gesso e anidrite. I cementi di miscela (cementi compositi) contengono altri costituenti, quali scorie d altoforno granulate, pozzolane naturali o artificiali, calcare o cariche inerti; questi vengono macinati insieme al clinker, dopo una eventuale preventiva essiccazione e/o macinazione separata. Gli impianti di macinazione possono essere localizzati al di fuori degli impianti di produzione del clinker. Il tipo di processo di macinazione dipende dal tipo di cemento che si desidera produrre; di particolare importanza, sono la macinabilità, l umidità e le caratteristiche abrasive dei componenti utilizzati. La maggior parte dei mulini lavora a circuito chiuso, vale a dire, può separare il cemento della finezza richiesta dal materiale macinato e riciclare nel mulino il materiale grossolano. Dosaggio e proporzionamento della carica del mulino L accuratezza e l affidabilità del dosaggio e del proporzionamento dei componenti la carica del mulino (in base al peso) sono molto importanti per mantenere un alto rendimento energetico del sistema di macinazione. Il dispositivo principale di dosaggio e proporzionamento della carica dei mulini è il nastro pesatore di alimentazione. Macinazione del cemento Data la varietà dei tipi di cemento richiesti dal mercato, i sistemi di macinazione più diffusi sono quelli dell ultima generazione dotati di separatore dinamico ad aria. I sistemi di macinazione del cemento più usati sono i seguenti: mulini tubolari, a circuito chiuso (le aggiunte minerali sono piuttosto limitate, se non asciutte o preessiccate); mulini verticali a pista e rulli (più adatti per separare quantità elevate di aggiunte minerali in virtù del loro potere essiccante, per la macinazione separata delle aggiunte minerali); presse a rulli (le aggiunte minerali sono piuttosto limitate, se non sono asciutte o preessiccate). Il principio di funzionamento dei mulini verticali a pista e rulli si basa sull azione di 2-4 rulli di macinazione supportati da bracci a cerniera che si muovono su un piano, o vasca, di macinazione orizzontale. Si tratta di sistemi di macinazione particolarmente adatti per la contemporanea macinazione ed essiccazione delle materie prime o dei correttivi, in quanto i mulini di questo tipo sono in grado di lavorare materiali con percentuali di umidità relativamente elevate. Il tempo di permanenza dei materiali nel mulino deve essere abbastanza breve, così da prevenire la preidratazione del clinker di cemento. Uno sviluppo più recente nel campo della macinazione del cemento è rappresentato dai mulini orizzontali a pista e rulli, costituiti da un guscio orizzontale corto poggiante su cuscinetti idrodinamici o idrostatici. Il guscio è azionato da un cambio circolare. All interno del guscio si trova un rullo orizzontale che è libero di ruotare e può essere pressato idraulicamente contro il guscio. Il materiale da macinare viene immesso attraverso una o entrambe le estremità del guscio, e passa più volte tra il rullo e il guscio. Il materiale frantumato che esce dal mulino viene trasportato al separatore, mentre la frazione grossolana ritorna al mulino. Macinazione delle aggiunte minerali Le aggiunte minerali (costituenti secondari) sono macinate solitamente insieme al clinker ed al gesso. La decisione di macinarle separatamente dipende fondamentalmente dai seguenti fattori:

20 percentuale di aggiunte minerali presente nel prodotto finale e nella produzione del cemento nel suo insieme; disponibilità di un eventuale mulino di ricambio; esistenza di una notevole differenza tra la macinabilità del clinker e quella delle aggiunte minerali; tenore di umidità delle aggiunte minerali. Qualora si renda necessaria la macinazione preliminare delle aggiunte minerali, si possono usare sistemi di essiccazione che sfruttano i gas esausti del forno e/o l aria recuperata dal raffreddatore o una fonte di gas caldi indipendente. Sistemi di macinazione congiunta I predetti sistemi per la macinazione a via secca/semi-secca delle materie prime possono essere usati tutti per la macinazione congiunta delle aggiunte minerali insieme al clinker ed al gesso. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi pone dei limiti alla percentuale di umidità della miscela al massimo 2% o 4% se si usa una fonte di gas caldi. Se la miscela ha un tenore di umidità più elevato, i componenti secondari devono essere preventivamente essiccati. Un eccezione è rappresentata dal mulino verticale, che può lavorare materiale avente fino al 20% di umidità, ma che richiede anche una fonte di gas caldi. Macinazione separata Per la macinazione separata delle aggiunte minerali si possono usare i sistemi di macinazione a via secca/semi-secca delle materie prime. Tuttavia, con riferimento all'umidità della miscela di additivi, può essere necessaria l essiccazione preliminare. Separazione per distribuzione granulometrica del prodotto La distribuzione granulometrica del prodotto che esce dal sistema di macinazione è molto importante ai fini della qualità del cemento. La definizione di questi parametri si raggiunge regolando il separatore. I separatori dell ultima generazione, quelli a gabbia a rotore, presentano alcuni vantaggi rispetto ai modelli precedenti, quali: minore consumo energetico specifico del sistema (minore troppo fine); maggiore quantità di materiale lavorato (rendimento); possibilità di raffreddare il prodotto; maggiore flessibilità nella regolazione della finezza del prodotto; migliore controllo della distribuzione granulometrica e maggiore omogeneità del prodotto Stoccaggio del cemento Il trasporto del cemento ai sili di stoccaggio può avvenire tramite sistemi pneumatici e meccanici. Questi ultimi di norma hanno costi di investimento più alti, ma costi di esercizio molto più bassi rispetto a quelli dei sistemi di trasporto pneumatico. Oggi i sistemi più diffusi prevedono la combinazione di trasportatori con canalette fluidificate oppure a coclea/catena con elevatori a tazze. Cementi diversi sono stoccati in sili separati. I nuovi modelli di silo consentono di stoccare più tipi di cemento nello stesso contenitore. I sili attualmente usati per lo stoccaggio del cemento sono: sili a cella singola con tramoggia di scarico; sili a cella singola con cono centrale; sili multicella;