Projeto de armazenamento de materiais de grafite para ânodos em 13 silos com capacidade de 150 000 m³

Desafios de engenharia relacionados com o armazenamento de coque de petróleo e coque calcinado em silos de armazenamento de grafite para ânodos

Do ponto de vista da engenharia, a conceção de um sistema de armazenamento para ânodo de grafite deve ter em conta a distribuição granulométrica (normalmente entre 0,5 e 10 mm no caso do coque de petróleo), a densidade aparente que pode variar entre 650 e 900 kg/m³, e o teor de humidade que é inferior a 1,5% e se situa abaixo do nível de sensibilidade crítica. Estes fatores influenciam a estabilidade do sistema de descarga e a conceção do silo. Num modelo EPC (Engenharia-Aquisição-Construção), os silos fazem parte de um sistema contínuo de processamento de matérias-primas concebido para satisfazer uma procura de 50 a 300 toneladas por hora. As modernas fábricas de materiais para baterias em grande escala adotam cada vez mais o conceito de um silo modular industrial sistema para melhorar a escalabilidade e a eficiência da construção.

Silo de armazenamento de coque calcinado

Silo industrial para materiais em pó

O rápido crescimento da produção de baterias de iões de lítio criou a necessidade de uma logística estável de matérias-primas para a produção de ânodos. Como parte desta rede, os projetos de silos de armazenamento, tanto para coque de petróleo como para coque calcinado, assumem um papel fundamental para a disponibilidade contínua de matéria-prima para os processos de grafitização e mistura de ânodos. A maioria das instalações industriais que processam estes materiais utiliza capacidades de armazenamento entre 5 000 e 80 000 toneladas por complexo de silos. Em projetos EPC, a referência detalhada a especificações do silo de aço aparafusado é frequentemente utilizado para normalizar os parâmetros de conceção e garantir a coerência em instalações de armazenamento de grande capacidade.

A fiabilidade do sistema em funcionamento depende, em grande medida, da classificação do comportamento do fluxo. Nas fábricas modernas de materiais para baterias, sistemas de armazenamento em massa são obrigados a implementar sistemas de descarga controlada que evitem o comportamento de fluxo em forma de funil e minimizem os períodos de inatividade do processo com duração superior a 8 a 12 horas.

Lógica de conceção do sistema dos silos de matéria-prima com ânodos de compartimentos múltiplos em linhas de produção de alta capacidade

Estratégia de disposição do sistema para garantir a estabilidade da alimentação contínua em configurações com vários compartimentos

Para dissociar os processos a montante e a jusante de carbonização e grafitização, respetivamente, nas fábricas de materiais para baterias de alto rendimento, o arquitetura do sistema de silos com vários compartimentos é a configuração mais comum. Normalmente, é composta por 4 a 12 silos, com uma capacidade de armazenamento individual entre 2 000 e 10 000 m³. Concebido desta forma, o sistema destina-se a absorver as flutuações no abastecimento durante os processos a montante, com uma capacidade aproximada de tempo de amortecimento de 24 a 72 horas para garantir o funcionamento ininterrupto da central.

Os projetos de sistemas de alimentação contínua baseiam-se na estabilidade do sistema. Para a alimentação contínua, as taxas de descarga devem situar-se na mesma ordem de grandeza (ou seja,. ±5%) entre si, ou o processo a jusante tornar-se-á instável. Os alimentadores rotativos de frequência variável, por exemplo, podem controlar caudais entre 20 e 200 toneladas/hora para cada uma das linhas de alimentadores rotativos. Se o controlo assegurar as taxas de fluxo para os alimentadores rotativos, o processo a jusante de calcinação não sofrerá variações de temperatura superiores a 30 a 50 graus Celsius, o que influencia negativamente a qualidade do produto.

O sistema inclui as seguintes características de conceção:

• Capacidade do tampão: Assegura a continuidade operacional durante 24 a 72 horas.
• Controlo do caudal: Equilibra a taxa de descarga das saídas do silo com uma precisão de ±5%.
• Redundância: Concebe o sistema de forma a atingir o mesmo rendimento com 1 a 2 silos fora de serviço.
• Sistema de fluxo mássico: A descontinuidade e a segregação ultrabaixa são princípios fundamentais do projeto e são alcançadas com um nível de certeza superior ao do 80%.

Os sistemas de fluxo de materiais em aplicações industriais de ponta são frequentemente otimizados através de um silo revestido a aço inoxidável, de modo a melhorar a resiliência estrutural a longo prazo e a proteção dos materiais.

Variabilidade do fluxo de material entre os sistemas de armazenamento de coque de petróleo e de coque calcinado

Os diferentes materiais têm um comportamento de fluxo distinto. O coque calcinado apresenta um fluxo de pó coesivo mais pronunciado e tem uma área superficial maior, bem como partículas mais pequenas (D50 < 2 mm), quando comparado com o coque de petróleo. Por este motivo, o coque de petróleo é mais granular e de fluxo livre. Estes comportamentos de fluxo influenciam a conceção das tremonhas e das saídas dos canais de fluxo.

Materiais a granel de coque de petróleo calcinado

O coque de petróleo e o coque calcinado também apresentam diferenças densidades aparentes o que afeta a conceção dos silos. O coque de petróleo tem uma densidade aparente de 650 – 850 kg/m³, mas o coque calcinado apresenta maior variabilidade, dependendo da temperatura de calcinação (1 200 – 1 350 °C), podendo situar-se entre 900 e 1 050 kg/m³. Isto significa que os sistemas de silos têm de ser capazes de acomodar 20 Variações de carga % e não sofrer danos estruturais.

Os ângulos das tremonhas são concebidos entre 55° e 70° para evitar o risco de formação de pontes e buracos, sendo que o coeficiente de atrito das paredes dos silos revestidos a aço se situa normalmente entre 0,35 e 0,55.

• Controlo da segregação de materiais: Impede que ocorra a separação de partículas quando o número de ciclos de descarga excede os 1 000 ciclos/dia.
• Otimização da geometria da tremonha: Melhora a estabilidade do fluxo com coeficientes de atrito na parede de 0,55.
• Adaptação da fluidez: Modelos adaptados para partículas com dimensões entre 0,5 mm e 10 mm.
• Conceção da compensação de densidade: Adapta-se a variações da densidade aparente de 300 kg/m³.

Necessidade técnica do fluxo mássico em silos de materiais para baterias de alta capacidade

É necessário um projeto de silo de fluxo mássico quando a capacidade de produção de material de ânodo excede 150 toneladas/hora. Os sistemas de fluxo em massa, ao contrário do fluxo em funil, também permitem uma descarga do tipo «primeiro a entrar, primeiro a sair» e reduzem significativamente a variação no tempo de permanência do fluxo de material de 30 a 60 dias para apenas 5 a 15 dias.

Um sistema de descarga de silos devidamente concebido reduz as flutuações de pressão interna em 25-40%, permitindo uma maior estabilidade estrutural das paredes dos silos de aço. Este projeto é especialmente importante para os silos com diâmetros superiores a 25 metros e alturas superiores a 40 metros, nos quais as pressões nas paredes podem exceder os 120-180 kPa, dependendo do nível de enchimento. Os projetos modernos de EPC utilizam sistemas de monitorização em tempo real que recorrem a células de carga e sensores de pressão em 6 a 12 pontos de medição por silo, para facilitar o controlo ininterrupto da uniformidade da descarga.

• Controlo do regime de fluxo: Garante uma descarga uniforme com um desvio inferior a 5%.
• Estabilização da pressão: Reduz a tensão máxima na parede em até 40 kPa.
• Eficiência operacional: Prolonga os intervalos de manutenção até 12 meses.
• Consistência na qualidade dos materiais: Reduz a segregação em mais de 30%.

Estratégia de controlo coordenada entre os sistemas de comutação de silos e os sistemas de transporte

Nas instalações integradas, os sistemas de transporte pneumático e as unidades de descarga de silos funcionam em circuitos de controlo coordenados. Os sistemas de transporte têm, normalmente, uma capacidade de transporte de 30 a 180 toneladas por hora por linha, o que exige o alinhamento com os alimentadores de saída dos silos.

Com uma arquitetura de sistema de transporte integrado, os sistemas de transporte podem ser alternados entre silos em 10 a 30 segundos, o que ajuda na alternância entre materiais e na minimização do tempo de inatividade. Isto é crucial para a produção contínua de materiais de ânodo durante 330 a 350 dias operacionais por ano. A lógica de controlo é gerida por sistemas de controlo baseados em PLC, em que o tempo de resposta para o controlo dos mecanismos de comutação é inferior a 200 milissegundos e, para o controlo do fluxo, é de 200 milissegundos.

• O tempo de inatividade durante a troca de silo é de 10 a 30 segundos.
• O caudal da conduta é ajustado à descarga do silo, variando entre 30 e 180 toneladas por hora.
• O controlo do PLC está configurado para menos de 200 milissegundos.
• O sistema foi concebido para um tempo de funcionamento contínuo superior a 330 dias por ano.

Controlo de riscos estruturais em silos profundos de grande diâmetro destinados ao armazenamento de coque de petróleo

Distribuição de cargas e estabilidade estrutural em silos de armazenamento de sólidos a granel

Os grandes silos de armazenamento de sólidos a granel destinados ao armazenamento de coque de petróleo têm, normalmente, um diâmetro de 20 a 35 metros e uma altura de 25 a 60 metros. A análise estrutural destes silos de grandes dimensões constitui uma parte crucial do projeto de engenharia, uma vez que pressões laterais exercidas nas paredes pode atingir valores entre 100 e 200 kPa, dependendo da altura de enchimento dos silos e da compactação.

A conceção das paredes dos silos de aço tem em conta distribuição de tensões e, normalmente, resulta numa espessura entre 8 e 25 mm. A análise de elementos finitos (FEA) centra-se nas áreas de “concentração de tensões”, em particular nas zonas de transição dos funis, uma vez que as paredes do silo podem estar sujeitas a cargas entre 1,5 e 2,0 vezes superiores à pressão média na parede, devido à amplificação da carga.

• A modelação da distribuição de cargas permite obter uma variação de tensão dentro de ±15% nas secções verticais.
• A espessura das paredes nas várias zonas de altura foi concebida para se situar no intervalo de 8 a 25 mm.
• A concentração de tensões na zona de transição das tremonhas é reforçada de modo a limitar os picos de concentração de tensões a 2,0 vezes a pressão média na parede.
• O projeto de transferência de cargas da fundação prevê uma carga de base de 1 500 a 3 000 kN.

Princípios de conceção de sistemas de mitigação do risco de explosão e de inertação

A necessidade potencial de um sistema de proteção contra explosões de poeira pode resultar de uma concentração máxima de poeira de 40–60 g/m³ em armazéns de coque de petróleo com ventilação insuficiente. Uma vez que o energia mínima de ignição (MIE) Embora tenha sido medido um valor tão baixo quanto 30–60 mJ para o pó fino de carbono, é dado especial destaque a um nível de segurança mais elevado na conceção técnica.

Uma prática comum na engenharia é a utilização de um sistema de inertação com azoto para reduzir a concentração de oxigénio para um valor compreendido entre 10% e 12%, o que reduz consideravelmente o risco de combustão. É prática comum instalar sensores de monitorização de oxigénio no interior dos silos, em três a seis níveis verticais diferentes.

• A concentração de oxigénio segura para o funcionamento é mantida abaixo de 12%.
• O nível de segurança para a concentração de poeira em suspensão no ar é mantido abaixo dos 50 g/m³.
• O projeto de engenharia reduz o risco de ignição, de acordo com a norma MIE de 60 mJ.
• A monitorização é realizada em três a seis níveis dentro de cada silo.

Orientações para a tomada de decisões de engenharia relativas a sistemas de armazenamento de materiais anódicos em grande escala

Um bem concebido sistema de armazenamento com ânodo de grafite contribui para um fluxo suave e contínuo de materiais, tempos de inatividade mínimos e um calendário de produção organizado e previsível. Ao tomar decisões de engenharia, deve dar-se ênfase a fiabilidade do fluxo e a segurança estrutural, bem como a integração do sistema com as unidades de processamento a montante e a jusante.

O nosso grupo de engenharia EPC possui conhecimentos especializados aprofundados para conceber sistemas de armazenamento em silos e de transporte totalmente integrados para materiais de carbono destinados a baterias, incluindo coque de petróleo, coque calcinado e matéria-prima para ânodos de grafite. Cada projeto é adaptado às necessidades específicas com base nos caudais previstos, nas propriedades dos materiais e nas limitações do local do projeto. O planeamento integrado do projeto inclui frequentemente soluções personalizadas soluções de armazenamento para silos de coque de petróleo para garantir um processamento contínuo, desde a receção até ao processamento posterior.