19 -  CARVÕES

Produto da destilação sêca da madeira ( lenha ) ou de sua combustão parcial (com acesso limitado de ar ), substância negra, porosa, de pêso específico baixo devido a presença de grande quantidade de ar retido em seus póros.

No antigo Egito usavam-se os sub produtos do carvão em processos e rituais de embalsamar ( alcatrão e  ácido acético )

Sua aplicação dá-se como uso doméstico ( fonte de energia ), em preparo de carvões ativados, e sua aplicação mais importante é na metalurgia, obtenção de metais ( Fe, Zn, Cu, etc ).

O aquecimento de óxido do metal com o carvão, gera despreendimento de CO, e  CO2 restando o metal livre.

Ex:-   PbO + C ---> Pb + CO    ou

       2 PbO + C ---> 2 Pb + CO2.

Seu uso como combustível em relação ao coque é deficiente, diferenciando-se do carvão coque por seu maior conteúdo de oxigênio e hidrogênio combinados, razão de seu menor poder calorífico ( aprox 7000 kcal/Kg.) . Sob este aspecto deve-se ainda considerar, seu pêso específico médio (1,5 - 2), acarretando peso de aprox. 2000 Kg/m3 ,  e seu têor de  água (6 - 7% ) aliando-se ainda a dificuldade de produção e transporte da fonte até a  área de consumo.

 Características do carvão vegetal:- Bom redutor metalúrgico, bom combustível, grande pureza, apresentando teôres de cinza variáveis  de 2 a 6%, como: carbonatos (cálcio, sódio, potássio), fosfatos: (cálcio,magnésio, ferro, aluminio, manganês etc.) .

Carvões de coníferas apresentam  cinzas com baixos teôres de fósforo, o que o recomendam para uso na fabricação do ferro.

Obtenção:-

Anteriormente, utilizando-se fôsso, a pirólise era efetuada apenas com o fim de produção do carvão ( razão do têrmo carbonização ) 

A pirólise da madeira gera três fáses:-

1. Resíduo sólido: carvão.

2. Fáse líquida:  água, alcatrão, ácido acético, álcool metílico, etc.

3. Fáse gasosa: CO, CO2, H2, CH4, C2H4  etc.

Até 170oC em reação endotérmica, destila-se  água e soluções aquosas, e após, até 270oC em reação exotérmica despreendimento de hidrogênio e hidrocarbonetos com  inicio de formação de alcatrão .

 A 400oC ao se interomper o aquecimento, iremos  obter resíduo negro e compacto (parecido com a hulha ) e a 500oC o resíduo carbonoso (parecido com a antracita ) é muito consistente e pobre em gáses, e apropriado para uso em processos metalúrgicos.

O rendimento da produção de carvão e seu teor de carbono é razão da temperatura final de destilação: 

800oC - teor de carbono 95% com rendimento de 25%

400oC - teor de carbono 85% com rendimento de 40%

Carvões que ao queimar, não devem apresentar odores necessitam de aquecimento a pelo menos 350oC.

Propriedades desejadas em um carvão vegetal para uso siderúrgico:

Físicas:-

densidade de 300 Kg/m3

pouco friável ( não fragilizar facilmente )

granulometria aprox. 30 mm e uniformidade no tamanho

suficiente resistência mecânica ( compactação sob o pêso do minério )

Químicas:

teor de carbono fixo aproximado de 70%

teor de matérias voláteis entre 12 a 17%

baixo teor de fósforo (absorvido pelo ferro --> fragilidade)

teor de cinzas entre 2 a 5% ( absorve calor e prejudica a redução)

umidade de 5 a 30% ( abaixa a produtividade do alto forno )

poder calorífico 7600 a 7800 Kcal/K

Fatores que influenciam nas propriedades do carvão :

1. Espécie de madeira:  Madeira densas produzem carvões de maior densidade e com maior quantidade de carbono fixo por volume útil.

2. Tamanho dos pedaços de madeira: Pedaços pequenos racham menos na pirólise, produzem carvões de  maior densidade e dureza.

3. Método de carbonização: (relativo a velocidade de aquecimento) Com o aumento da velocidade de destilação o carvão terá maior teor de carbono fixo, porém maior fragilidade, tornando-o de pequena granulometria ( impede passagem de gáses no seu uso em siderurgia ).

4. Temperatura de carbonização: Quanto mais altas, maior a fragilidade ( ideal aprox 450oC. )

Fornos de obtenção de carvão ( tipos )

1. pelo aquecimento:

a) aquecimento externo - retorta

b) aquecimento interno - colméia

2. pela mobilidade:

a) fixo

b) móvel

3. pela continuidade:

a) contínuo

b) por carga ( batelada, batch )

Forno de aquecimento interno:- Carboneiras tipo colméia.

Em local de solo preparado com argila e pó de carvão tornando-o mais impermeabilizado possível,  finca-se estacas de comprimento de 4 a 6 metros de modo a constituírem uma espécie de chaminé com aproximadamente 30 cm de diâmetro, que posteriormente, é cheia de pedaços de lenha parcialmente carbonizada.

Ao redor da chaminé as achas de lenha são dispostas verticalmente o mais junto possível de modo a evitar vazios, ( cerca de 150 a 200 m3) formando uma pira que se cobre com capim, folhas e material argiloso, deixando-se orifícios em sua parte inferior e que irão agir como entrada de ar controlada.

Terminada sua construção, introduz-se pela chaminé central troncos de lenha acesos,  que irão comunicar o fogo sucessivamente a toda a massa.

Inicialmente sairão fumaças negras pelo orifício superior e após algum tempo, fumaças quase que incolores indicando uma parcial carbonização. Neste momento, tapa-se o orifício superior e abre-se outro em local diferente para que a carbonização atinja agora outra  área e assim sucessivamente até que preveja-se ter obtido a ação em sua totalidade na pira.( cêrca de 14 a 20 dias )

Após, tapa-se todos os orifícios de modo a abafar e consequentemente apagar a carvoeira, o que após constatado, procede-se o desmonte da mesma, retira-se o carvão formado e reinicia-se o procedimento montando  nova carvoeira.

Nestas carvoeiras, obtém-se apenas carvão em razão de que os demais produtos de pirólise ( gáses e vapores ) não são recuperados.

São chamados de Kilns os fornos de tipo carvoeiras, porém construidos em alvenaria, e com mesmo tipo de processo.

Forno de aquecimento externo:- Retorta.

A destilação de madeira com utilização de sistema de retorta permite a obtenção de carvão e também de alcatrão, ácido acético, álcool metílico e outras frações,   usando-se:

a) retortas horizontais, em cujo interior circulam vagonetes com cerca de 30 a 50 m3 de madeira, possuindo comprimento em torno de 25 metros, sistema de estanquidade, controle de admissão de ar, permitindo inclusive operação contínua.

b) fornos de cuba onde introduz-se por sua parte superior continuamente e de acordo com sua produção, a madeira previamente sêca, e retira-se por sua parte inferior, o carvão após devidamente esfriado em câmara anexa.

Uma variáveis é o forno de cuba, basculante com retorta revestida de material refratário.

CARVÃO MINERAL

Definição:- Produto resultante da transformação de uma vegetação primitiva, que foi sepultada nas camadas da terra em períodos geológicos mais antigos, sofrendo assim,  ação dos agentes de transformação ( desidratação, pressão, calor e ação microbiana ).

Importância:-

1. fonte abundante de energia.

2. Importante redutor de minério - "COQUE"

3. Enrorme quantidade de componentes químicos.

Graus de evolução do carvão - Categorias:-

1. Turfa

Estado inicial de transformação, aparência de material lenhoso.

A turfa seca e isenta de cinzas tem poder calorifico 2500 kcal/Kg e até 5000 kcal/Kg quando briquetada

Por destilação produz coque de turfa, não aglomerado e não se prestando para uso em siderurgia, possue teor de  água em até 90% e precisa de secagem para sua utilização, existente no Brasil na região Amazônica.

2. Linhito

Intermediário entre o carvão de pedra e a turfa, possue 50-80% de carbono e 55% de  água, aparência de madeira carbonizada, sêco e isento de cinzas tem poder calorifico que varia de 5 a 7000 kcal/Kg, seu coque não se presta para uso siderúrgico, jazidas no Brasil em SP., MG.,  Am.,  Pe.

3. Hulha ou carvão de pedra.

Apresenta-se sob forma de massa compacta, de cor preta, com brilho vítreo e quando seca e isenta de cinzas possui poder calorifico de 7 a 8000 kcal/, é a fonte do coque metalúrgico.

Jazidas em SP., Pr., SC., RGS., inconvenientes no carvão  brasileiro (abaixam o poder calorífico ) alto teor de voláteis ( 30% ) elevado teor de umidade ( média 10% ) e alto teor de cinzas argilas e piritas ( 24 a 33% )

Dificuldades no desenvolvimento do carvão brasileiro  a) qualidade inferior  b) dificuldades de beneficiamento por lavagem  c) instalações de beneficiamento deficientes.  d) distância da jazida a fonte de consumo  e) custos de frete.

4. Antracito

Massa compacta preta, possui brilho quase metálico, elevado teor de carbono fixo (78 a 87% )  e baixo teor de oxigênio, poder calorífico aproximado em 8300 kcal/Kg, possui pouca cinza ( 4 a 12% ) , grande dureza, queima sem aglutinar e sem fumaças ( baixo teor de voláteis ) , seu coque é friável não servindo para fins metalúrgicos.

Partes de um carvão mineral :-

Orgânica :-  CH2  é o combustível útil

Inorgânica :- cinzas, parte não útil , não combustível.

Extração :-

Céu aberto

Galeria ou poços subterrâneos.

Beneficiamento :-

Separação do material inorgânico do carvão tornando-o útil para sua aplicação.

1. Separação de tipos de carvão pelo aspecto

2. Classificação ou peneiramento em frações de diferentes tamanhos, com uso de peneiras vibratórias.

3. Escolha manual.

4. Trituração ( moinho Hadfield - mandíbula )

5. Lavagem, constando de :  a)  peneiração - classificação  em peneiras oscilantes.  b) despoeiramento - corrente de ar retirando os finos  c) lavagem propriamente dito . 

 A separação  das impurezas é facilitada pela diferença do pêso especifico  (carvão 0,6/0,8 - Pirita 4/4,9 - cálcario 2,7 - Mat. argiloso 2/2,6)- a)  Jigs:-  tanque com êmbolo que faz vibrar a  água, passando-a por disco perfurado, ocasionando a suspensão de partículas  menos  densas  até  a  superfície   onde   são  levadas  pela  corrente.

b) Tanques com circulação de  água:-  jatos de  água com pressão, no fundo do tanque projetam para a superfície as partículas menos densas, o carvão e o xisto são separados em camadas no transcorrer do tanque. c) processo tradicional de flotação  onde o pó de carvão„o é retirado na superfície.

6. Secagem:- Uso de peneira vibratórias ou de centrífugas (para granulometrias abaixo de 12 mm não pode ser usada a centrífuga.)

7. Homogeinização:- Mistura de diferentes tipos de carvões em razão de seu teor de materiais voláteis.

O ideal para carvão metalúrgico, situa-se entre 18 a 36%, sendo que valôres menores que 18% o coque incha e com valres acima de 36% o coque apresenta baixa resistência mecânica.

Análise de um carvão para produção de Coque Metalúrgico:-

O carvão deve ser coqueificável, isto é : possuir propriedades aglomerante, ter entre 18 a 36% de materiais voláteis, e granulometria entre 3,5 e 6,5 mm.

1. Aquecimento em ausência de ar.

Não deve desagregar no momento que recebe calor.

Deve possuir propriedades aglomerantes, ou seja: se pelo aquecimento o carvão amolece  e funde-se, formando uma massa plástica ( devido a presença de voláteis )  e a seguir pela continuidade do aquecimento forma uma massa sólida de alta resistência o carvão serve para fins metalúrgicos.

2.  Análise Petrografica.

Com observação ao microscópio dos constituintes de um carvão, pode-se prever algumas das características do coque em razão da presença de determinados constituintes

a) Vitrênio , aspecto preto brilhante, originado de troncos e raízes, é inchável

b) Durênio, aspecto brilhante de cor cinza escuro a preto, proveniente das fibras de madeira, geralmente não inchável.

c) Clarênio, aspecto fosco translúcido, resultante de sementes e resinas, é o mais inchável. (coqueificável)

d) Fusênio aspecto fosco, cor preta, assemelha-se ao carvão vegetal, apresenta-se poroso e não incha.

As melhores propriedades coqueificantes, encontram-se no Vitrênio, porém embora isto não aconteça ao Fusênio, a mistura dele nos outros constituintes aumenta a resistência mecânica do carvão coque.

3. Análise em forno experimental

Equipamento destinado a medidas de inchamento do carvão, consistindo em caixa fechada com parede móvel acoplada a dinamômetro, que cheia do carvão a analisar, e sob aquecimento o inchamento desloca a parede possibilitando a medida .

Influência das variáveis  do carvão e do processo, sobre as propriedades do coque.

1. Matéria volátil - ideal entre 18 a 36%.

A medida que o carvão é aquecido, ele amolece e libera gáses, com um aumento de temperatura a massa se torna plástica e viscosa, de modo que tem a tendência a englobar os gáses.

2. Granulometria. ideal entre 3 e 6,5 mm

Todo carvão para forno, deve passar por peneira 6,5 mm e 80% do total passar pela peneira 3 mm

3. Cinzas, teor máximo desejável 3 a 6%

Diminuí a resistência de abras„o do coque, bem como sua dureza. Alto teor de cinzas indica grande presença de enxofre e fósforo.( pequena percentagem volatiliza)

O fósforo não é eliminado no alto forno e se transforma em fósforo elementar que posteriormente é absorvido pelo ferro, sua presença é indesejável pois fragiliza o metal.

A eliminação do fósforo, gera composto de elevado valor, a escória básica , usada na indústria de fertilizantes, como fonte de fósforo

O teor  de 1% de cinzas no coque, reduz o rendimento do forno entre 3 e 6%, e aumenta o consumo de combustível em cerca de 2%.

4. Umidade.

Livre:- é a umidade que o carvão tende a perder, quando sêco ao ar, é prejudicial a destilação aumentando o tempo de destilação em até 45 minutos para cada 1% de aumento de umidade livre. Depende das condições de preparo do carvão bem como condições de armazenamento, apresentando porém a vantagem de diminuição do teor de poeiras.

De equilíbrio:- obtida após secagem ao ar e em seguida em estufa a 110oC é a medida do volume dos microporos existentes no carvão. A relação entre umidade de equilíbrio e poder de inchamento é inversa, maior umidade menor poder de inchamento.

Total:- é a soma dos teôres das duas umidades ( aprox. 5% ).

5. Plasticidade.

O carvão aquecido a temperaturas superiores de 350oC ( em ausência de ar ) começa a amolecer.  A medida que a temperatura sobe, se transforma em massa plástica com despreendimento de gáses e vapores. Os gáses retidos na massa plástica  a medida  que se expandem tendem a extender ( aumentar o volume )da massa plástica. Com mais calor, haverá o despreendimento dos gáses e a massa começa a solidificar-se ( aprox. 500oC ) mantendo a partir da¡ o seu volume aumentado, configurando-se o produto "Coque" com sua finalização em torno de 1200oC.

6. Armazenamento.

Se o carvão for finamente moído antes de ser armazenado. pode sofrer oxidação. Se a oxidação acontecer em temperatura baixa ( inferior a 80oC ) diminui o inchamento.

7. Velocidade de aquecimento.

A medida que aumenta-se a velocidade de aquecimento, aumenta-se também a velocidade de inchamento, e um inchamento demasiado rápido, pode ocasionar danos ao refratário do forno.

8. Resfriamento.

O resfriamento do coque é efetuado com pulverização de  água, porém déve-se cuidar com excessos ( não mais que 1% ) considerando-se o aumento de consumo de combustível no forno.

Preparação do carvão :-

Estocagem:- Nescessária para situações com problemas de fornecimento. Durante a estocagem ocorre uma oxidação lenta do carvão e, com esta oxidação aumenta a temperatura ( não déve ser superior a 80oC ) que pode ocasionar inclusive a autocombustão o que pode ser evitado, com uso de ventilação adequada. Alterações em razão da elevação de temperatura na estocagem ( oxidação) :- 1. diminui o CH2  2.  aumenta o O2  3. diminui o poder aglutinante 4. diminui o poder calorífico.

Moagem inicial:- Utilizando-se tradicionalmente um moinho do tipo Bradford , que possui em seu interior chicanas pontiagudas e em forma de hélice, elimina a matéria inorgânica, permitindo a  passagem de carvão com granulometria entre 25 a 30 mm.

Silos:- Utilizam-se os mais variados tipos de silos não havendo, tipo tradicional.

Dosagem:- Efetuada por balanças dosadoras, efetuam a composição, fazendo o "blend" de carvões com características diferentes.

Moagem :- Com utilização de moinhos de martelos reduz-se a granulometria de 25/30mm até aproximadamente 3 mm

Objetivos da preparação do carvão :-

1. Melhorar as propriedades fisico-quimicas do coque.

2. Permitir o uso de carvão de qualidade inferior (blend)

3. Evitar danos nos fornos de destilação (inchamento)

4. Aumentar a eficiência e o rendimento da destilação

COQUE :-

Produto sólido da destilação do carvão em alta temperatura (acima de l00oC ).  Antigamente produzido visando apenas a dessulfurização do carvão, quando a coqueificação se fazia em carboneiras semelhantes as usadas para produção de carvão vegetal,  porém mais largas e mais baixas ( 1,5 a 2 metros de altura ) com capacidade de 10 a 30 toneladas de hulha, em fragmentos grandes e com rendimento de 60 a 65 %.

A evolução deu origem a revestimento de alvenaria em câmaras retangulares de grande comprimento, abertas na parte superior e cobertas após a carga, com cinzas de coque.

Fornos retorta deram origem ao aproveitamento de sub produtos e os fornos alveolares  foram os precursores dos atuais fornos.

Variáveis  de forno utiliza pó de carvão briquetado.

O coque metalúrgico usado na metalurgia ( alto forno e fundi‡„o ) deve possuir resistência de 80 Kg/cm2 ( esponjoso e friável não serve ) 15 a 30% de voláteis e teor menor que 8% de oxigênio

Razões de coqueificação do carvão para uso metalúrgico.

1) O coque é combustível rico em carbono e por ter menor umidade apresenta maior poder calorífico.

2) Não fica pastoso sob ação do calor ( não impede a passagem do ar insuflado )

3) É combustível resistente.

4) Queima sem fumaças ( contrário ao carvão vegetal )

5) Possui menor teor de enxofre ( coqueificação dessulfuriza parcialmente.)

Forno :-

Retortas estreitas, compridas e altas  ( 10 a 12 metros de comprimento, 2 metros de altura e meio metro de largura ) possuindo nas duas extremidades abertura fechadas com porta de metal ( mantidas fechadas durante a destilação )  sendo as retortas separadas uma de outra por condutos (tuneis ) que irão conduzir os gáses superaquecidos, pouco menos altos e menos largos que as retortas, intercalando-se em conjuntos de 24 a 60 elementos, formando grandes conjuntos maciços.

As retortas são aquecidas em suas paredes laterais e possuem em sua parte superior, orifícios para a carga do carvão hulha e orifícios menores para saída dos gáses destilados.

As retortas operam alternadamente e são carregadas quando as suas paredes encontram-se  a temperatura de aprox. 1100oC.

Quando a destilação termina ( após aprox. 20 horas ) abre-se as duas portas da retorta e retira-se a massa incandescente por intermédio de um desenfornador ( tipo de rodo ) que empurra a massa toda pela outra porta ( extremidade oposta ) sendo o coque, apagado por pequena quantidade de  água fragmentado-se parcialmente com o choque térmico.

Ao sair da retorta o coque é uma mistura de fragmento de diversos tamanhos.

Uma britagem é feita com uso de moinhos de facas e posteriormente o coque é classificado pela sua granulometria.

Os gáses são recuperados por meio de condensadores, refrigeradores e lavadores, produzindo entre outros derivados, alcatrão, benzeno, tolueno, xileno, sulfato de amônio etc.

Características físicas do coque.

Densidade:- aparente ( coque poroso ) 1,7 a 2,1

                     real ( coque sem os poros ) 0,7 a 1,2

Resistência a esmagamento:- importante propriedade, aumenta com diminuição do teor de sílica e depende do processo usado na produção e forma de retorta usada. Bons valores estão entre 90 a 180 Kg/cm2

Porosidade:- quanto mais poroso melhor será a reação no alto forno com os gáses ascendentes e produzir  gáses mais ricos em CO, valôres estes entre 29 e 45% de poros.

Cor:- É variável de preto sem brilho até cinza brilhante, apresentando em alguns cásos, tons irisados nas superfície.

A melhor cor varia do branco prateado ao cinza claro.

Sonoridade:- útil propriedade na determinação da qualidade, é o som produzido sob impacto.  Som pesado e grave não é índice de boa qualidade, o som déve ser metálico.Características químicas de um coque.

Teôr de carbono:-  variando entre 80 e 94%

Teor de cinzas:- Nos países europeus os teôres estão entre 5 a 11%, classificando o coque como :- de primeira com 7 a 9%,  de segunda com 9 a 11% , e de terceira com 11 a 13% em cinzas.

Teôr de enxofre:- impureza  mais prejudicial ao coque , está limitada a menos que 1,25%   (torna o ferro quebradiço).

Teôr de fósforo:- Todo o fósforo do carvão passa ao coque, porém não se constitui inconveniente quando o processo de produção do ferro é Thomas ou Martim básico (é retirado com a escória ), mas, torna-se grande inconveniente nos processos Béssemer ou Martim ácido. O teôr varia de 0,01 a 0,07%.

Poder calorífico do coque varia de 7000 (com 10% de cinzas )  a 8000 kcal/Kg ( com 3% de cinzas )

O coque metalúrgico ideal déve possuir :-

Cinzas 9% , Enxofre 1 a 1,25% , fósforo 0,02%, pó na descarga 6%, porosidade 40 a 50%  resistência a esmagamento 100 Kg/cm2, poder calorífico 7200 kcal/Kg.

Coque brasileiro :-

O carvão de pedra do RGS. não se aglomera, o de SC. após beneficiamento produz coque aceitável, podendo ser classificado como metalúrgico seja em aquecimento ou em alto forno.

O inconveniente em relação ao carvão americano ou europeu refere-se ao alto teôr de cinzas ( 18 a 28% ) que irá acarretar:- a) redução do teôr de carbono  b) aumento de consumo de combustíveis  c) aumento relativo da quantidade de escória d) diminuição do grau de atividade e) diminuição da resistência ao esmagamento (restringe altura dos fornos)

Carvão Metalúrgico:-

Propriedades desejadas :-  1. propriedades aglomerantes. 2. teôr de matérias voláteis não muito elevado. 3. baixo teôr de cinzas (fósforo e enxofre). 4. Deverá produzir um coque de resistência mecânica suficiente para ser usado em alto forno.