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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Odilon José da Silva
"Caracterização Tecnológica de Carvões para Coqueria"
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia
de Materiais.
Área de concentração: Materiais Metálicos
Orientador: Prof. Paulo Santos Assis
Ouro Preto, Setembro de 2008.
-
ii
Catalogação: [email protected]
S586c Silva, Odilon José da. Caracterização tecnológica de
carvões para coqueria [manuscrito] / Odilon José da Silva. – 2008.
xvi, 74 f.: il. color., grafs., tabs., mapas. Orientador: Prof. Dr.
Paulo Santos Assis. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal
de Ouro Preto. Escola de Minas. Rede Temática em Engenharia de
Materiais. Área de concentração: Processos de fabricação. Carvão -
Minas e mineração - Teses. 2. Coque metalúrgico - Teses.
2.Tecnologia - Determinação mineralógica - Teses. I. Universidade
Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 552.574
-
iii
-
iv
DEDICATÓRIA
Agradeço a Deus, por me dar a força e a determinação necessárias
para conquistar meus
objetivos.
A minha esposa Margareth, pelo companheirismo e pela compreensão
de sempre.
Aos meus pais, Sebastião (in memorian) e Sebastiana, que não
mediram esforços para que eu
chegasse até aqui.
Muito obrigado!
-
v
AGRADECIMENTOS
• A ArcelorMittal, pela oportunidade para realização desta
dissertação.
• Aos professores da REDEMAT, pelos ensinamentos e
colaboração.
• Ao Prof. Dr. Paulo Santos Assis, pelo apoio e colaboração.
• A todos que de alguma forma colaboraram na realização deste
trabalho, muito
obrigado a todos.
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vi
Resumo
Uma marcha estável do alto-forno está bastante ligada à
consistência das propriedades
químicas, físicas e metalúrgicas das suas matérias-primas,
especialmente, do coque.
Consistência de propriedades corresponde a que o coque de alta
qualidade carregado no alto-
forno apresente, portanto, ao longo do tempo, valores de
umidade, cinza, enxofre, álcalis,
fósforo, tamanho, distribuição de tamanhos, resistência a frio e
resistência após reação com
dispersão mínima em relação aos determinados como meta em termos
de qualidade.
Este trabalho tem por objetivos comparar a qualidade do coque
produzido industrialmente
entre os laboratórios do INCAR e ArcelorMittal Tubarão,
correlacionar o coque produzido
industrialmente e em escala piloto e desenvolver modelos de
previsão da qualidade do coque
baseados na caracterização tecnológica de carvões individuais e
misturas industriais.
Sendo assim uma metodologia desenvolvida para caracterizar os
carvões se torna uma
ferramenta importante na seleção de carvões e misturas de
carvões para produção de coque
para alto-forno, visando estabilidade operacional com maior
produtividade nos altos-fornos e
redução do custo do gusa, já que representa 30% do custo da
placa ou 40% do gusa.
-
vii
Abstract
An stable operation of the blast furnace is strongly linked to
the consistency of chemical,
physical and metallurgical properties of its raw-materials,
specially of the coke. Properties
consistency means that the coke load to blast furnace presents,
therefore, all the time, values
of moisture, ash, sulphur, alkalis, phosphorous, size, size
distribution, cold strength and
strength after reaction with minimal dispersion in relation to
the values determined as target in
terms of quality.
Our objectives is to compare the coke quality produced
industrially in the laboratories of
INCAR (Instituto Nacional del Carbon-Oviedo/Spain) and
ArcelorMittal Tubarão, correlating
the coke produced industrially and in pilot scale and to develop
models to forecast the coke
quality based on the technological characterization of
individual coals and industrial coal
blends.
So, a methodology developed to the characterization of the coals
becomes an important tool in
coals selection and coal blends for the production of blast
furnace coke, aiming to the
operational stability with higher productivity in the blast
furnaces and the pig iron cost
reduction, since it represents 30% of the cost of the slab or
40% of the pig iron.
-
viii
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
................................................................................................................1
2.
OBJETIVOS.....................................................................................................................2
3. REVISÃO
BIBLIOGRÁFICA.........................................................................................3
3.1. INTRODUÇÃO
.............................................................................................................3
3.2. ORIGEM DO
CARVÃO...............................................................................................7
3.3. CLASSIFICAÇÃO DOS CARVÕES
...........................................................................8
3.3.1. CONSTITUINTES PETROGRÁFICOS – NOMENCLATURA E
CARACTERÍSTICAS
.......................................................................................................13
3.3.2. CONSTITUIÇÃO MACROSCÓPICA DOS CARVÕES.
......................................18
3.3.3. IMPORTÂNCIA DA PETROGRAFIA DOS CARVÕES
......................................20
3.3.4. COMPORTAMENTO DOS MACERAIS DURANTE A
COQUEIFICAÇÃO.....22
3.3.5. A
COQUEIFICAÇÃO..............................................................................................22
3.3.5.1. NOVAS TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO DE COQUE
..............................27
3.3.6. MODELOS DE PREVISÃO DE RESISTÊNCIA DO COQUE
.............................28
3.3.7 MODELOS DE PREVISÃO DE PROPRIEDADES A QUENTE DO
COQUE.....30
4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
.....................................................................36
4.1. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAIS..36
4.1.1. ANÁLISES IMEDIATAS E ENXOFRE
TOTAL..................................................37
-
ix
4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
..................................................................38
4.1.3. ENSAIO DE FLUIDEZ GIESELER
.......................................................................39
4.1.4. CARACTERIZAÇÃO
PETROGRÁFICA.............................................................40
4.1.5. FORNO PILOTO DE PAREDE
MÓVEL...............................................................40
4.1.6. ÍNDICE DE RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO DO COQUE – DRUM
INDEX (DI)
........................................................................................................................43
4.1.7. ÍNDICE DE REATIVIDADE DO COQUE - COKE REACTIVITY INDEX
(CRI)
.............................................................................................................................................45
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.
...................................................................................49
5.1. MODELO DE PREVISÃO DO ÍNDICE DE RESISTÊNCIA MECÂNICA A
FRIO
(DI 15015 ) DO COQUE DE FORNO
PILOTO...................................................................63
5.2. MODELO DE PREVISÃO DO ÍNDICE DE REATIVIDADE (CRI) DO
COQUE
DE FORNO
PILOTO.........................................................................................................65
6. CONCLUSÕES
..............................................................................................................67
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS..........................................................68
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
..........................................................................69
9. PUBLICAÇÕES
.............................................................................................................72
ANEXO 1. MEDIDAS
ESTATÍSTICAS...........................................................................73
-
x
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 3.1.1 RESERVAS MUNDIAIS DE CARVÃO MINERAL – SITUAÇÃO
EM
2002. [5]
..................................................................................................................................4
FIGURA 3.3.1. PLASTÔMETRO DE GIESELER E CURVA DE VARIAÇÃO DA
FLUIDEZ COM A ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA DA AMOSTRA DE
CARVÃO[8]...........................................................................................................................9
FIGURA 3.3.2 VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS FÍSICOS E QUÍMICOS COM
A
CLASSE DO CARVÃO.
....................................................................................................12
FIGURA 3.3.3 REFLETÂNCIA DOS CARVÕES COM O AUMENTO DOS
RANK[9].
.............................................................................................................................................13
FIGURA 3.3.1.1 DIAGRAMA DE VAN KREVELEN MOSTRANDO O CAMINHO
DE
COALIFICAÇÃO DA EXINITA, INERTINITA E VITRINITA. MODIFICADO
DE
TISSOT E WELT
(1987)....................................................................................................16
FIGURA 3.3.1.2 MODELO DE ASADA PARA DI15015 BASEADO NAS
RELAÇÕES
ATÔMICAS DE HIDROGÊNIO E CARBONO E OXIGÊNIO E CARBONO[11].
........17
FIGURA 3.3.2.1. MACERAIS E SUBMACERAIS DE CARVÃO. [CHAVE:
SUPERIOR ESQUERDO: VITRINITA; SUPERIOR DIREITO: ESPORINITA;
INTERMEDIÁRIO SUPERIOR ESQUERDO: CUTINITA; INTERMEDIÁRIO
SUPERIOR DIREITO: RESINITA; INTERMEDIÁRIO INFERIOR ESQUERDO:
SEMIFUSINITA; INTERMEDIÁRIO INFERIOR DIREITO: FUSINITA;
INFERIOR
ESQUERDO: MICRINITA E INFERIOR DIREITO:
ESCLEROTINITA[12]]..............20
FIGURA 3.3.5.1 VARIAÇÃO DA MÁXIMA FLUIDEZ PARA DIVERSAS
MATÉRIAS
VOLÁTEIS DE
CARVÕES...............................................................................................23
FIGURA 3.3.5.2. PROCESSO DE COQUEIFICAÇÃO[11].
.............................................24
-
xi
FIGURA 3.3.5.3. ISOTERMAS DE COQUEIFICAÇÃO[14], COM FOTO DE
UM
FORNO COQUEIFICADO À DIREITA.
.........................................................................26
FIGURA 3.3.5.4 VISTA SUPERIOR DAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE
DA
ARCELORMITTAL TUBARÃO A ESQUERDA E DESENHO ESQUEMÁTICO DE
UMA BATERIA CONVENCIONAL A
DIREITA...........................................................26
FIGURA 3.3.5.1.1 DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA COQUERIA HEAT
RECOVERY[15].
.................................................................................................................27
FIGURA 3.3.7.1 RELAÇÃO DA RESISTÊNCIA APÓS REAÇÃO (CSR) E TEOR
DE
INERTE MACERAL.
........................................................................................................31
FIGURA 3.3.7.2 RELAÇÃO DA RESISTÊNCIA APÓS REAÇÃO (CSR) E A
RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO (DI3015) .
...............................................................32
FIGURA 3.3.7.3 RELAÇÃO DA BASICIDADE DA CINZA DE CARVÕES
CANADENSES E CSR PARA UMA DADA
REFLETÂNCIA........................................33
FIGURA 3.3.7.4 REPRODUÇÃO DO DIAGRAMA ORIGINAL DE MOF
MOSTRANDO A RELAÇÃO ENTRE FLUIDEZ E RANK (REFLECTÂNCIA) E A
JANELA ONDE PODEM SER OBTIDOS VALORES DE DI 3015 ENTRE 90 E
92%..34
FIGURA 4.1.1 FLUXOGRAMA
GERAL.........................................................................37
FIGURA 4.1.1.1 LECO SC 132 UM INSTRUMENTO UTILIZADO PARA MEDIR
O
TEOR DE ENXOFRE TOTAL DE AMOSTRAS SÓLIDAS E
LÍQUIDAS...................38
FIGURA 4.1.2.1 VISTA FRONTAL DO EQUIPAMENTO TA INSTRUMENTS
SDT
2960.
....................................................................................................................................39
FIGURA 4.1.3.1 VISTA FRONTAL DO PLASTÔMETRO GIESELER R. B.
AUTOMAZIONE MODELO
PL2000...............................................................................40
-
xii
FIGURA 4.1.5.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM GRÁFICO DE
CONTROLE
DE UM ENSAIO EM FORNO PILOTO DE COQUEIFICAÇÃO DE UMA AMOSTRA
DE CARVÃO OU MISTURAS DE CARVÕES.
..............................................................41
FIGURA 4.1.5.2 FIGURA ESQUEMÁTICA DO FORNO PILOTO.
.............................42
FIGURA 4.1.5.3 VISTA LATERAL DO FORNO PILOTO DE COQUEIFICAÇÃO.
..43
FIGURA 4.1.6.1 DETALHES DO TAMBOR USADO PARA DETERMINAÇÃO DA
RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO (DI).
.....................................................................44
FIGURA 4.1.6.2. VISTA FRONTAL DO TAMBOR PARA ENSAIO DI.
......................45
FIGURA 4.1.7.1 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO EQUIPAMENTO UTILIZADO
PARA DETERMINAR A REATIVIDADE DO COQUE – CRI (ASTM D5341)
...........46
FIGURA 4.1.7.2 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO EQUIPAMENTO UTILIZADO
PARA DETERMINAR A REATIVIDADE DO COQUE APÓS REAÇÃO (CSR).
.......47
FIGURA 4.1.7.3 GRÁFICO DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE UMA
AMOSTRA DE COQUE DURANTE ENSAIO DE REATIVIDADE – CRI (ASTM
D5341).................................................................................................................................48
FIGURA 5.1 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS DE “A” A “M” POR ORIGEM.
........51
FIGURA 5.2 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE DI15015 COQUE
PRODUZIDO INDUSTRIALMENTE NAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE DA
ARCELORMITTAL TUBARÃO E ANALISADO NO
INCAR......................................53
FIGURA 5.3 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE CSR DO COQUE
ANALISADOS NA ARCELORMITTAL TUBARÃO E NO INCAR.
............................55
FIGURA 5.4 CORRELAÇÃO ENTRE O DI15015 DO COQUE PRODUZIDO
INDUSTRIALMENTE E ATRAVÉS DE FORNO PILOTO PARA AS MISTURAS
DE
“A” A “O”.
.........................................................................................................................57
-
xiii
FIGURA 5.5 CORRELAÇÃO ENTRE O CSR DO COQUE PRODUZIDO
INDUSTRIALMENTE E ATRAVÉS DE FORNO PILOTO PARA AS MISTURAS
DE
“A” A “O”.
.........................................................................................................................58
FIGURA 5.1.1 CORRELAÇÃO ENTRE O DI 15015 DO COQUE DE FORNO
PILOTO
E A ESTIMATIVA PELO MODELO BASEADO EM MATÉRIA VOLÁTIL E
LOG(MF)............................................................................................................................64
FIGURA 5.2.1 CORRELAÇÃO ENTRE CSR PREVISTO A PARTIR DO CRI E
O
CSR OBTIDO EM FORNO
PILOTO...............................................................................65
FIGURA A 1 MEDIDAS
ESTATÍSTICAS.......................................................................73
-
xiv
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1.1. DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS MUNDIAIS RECUPERÁVEIS
DE
CARVÃO MINERAL NO MUNDO EM 2006.
[3]...............................................................3
TABELA 3.1.2. COMÉRCIO MUNDIAL DE CARVÃO COQUEIFICÁVEL DE 2005.
[4]............................................................................................................................................4
TABELA 3.1.3 COMPOSIÇÃO QUÍMICA CARACTERÍSTICA DO CARVÃO
MINERAL NACIONAL.
.....................................................................................................6
TABELA 3.1.4 RESERVAS, PRODUÇÃO E CONSUMO DE CARVÃO MINERAL
NO MUNDO EM 2002.
[5].....................................................................................................7
3.2. ORIGEM DO
CARVÃO...............................................................................................7
TABELA 3.2.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA E DOS
COMBUSTÍVEIS
FÓSSEIS
SÓLIDOS[2]..........................................................................................................8
3.3. CLASSIFICAÇÃO DOS CARVÕES
...........................................................................8
TABELA 3.3.1 CLASSIFICAÇÃO ASTM DOS CARVÕES POR CLASSE.
[7].............11
TABELA 3.3.1.1 PRINCIPAIS GRUPOS MACERAIS.
..................................................15
TABELA 3.3.1.2 DISTRIBUIÇÃO MACERAL POR HEMISFÉRIO[9].
........................15
TABELA 3.3.2.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS
LITOTIPOS.....................19
TABELA 3.3.5.1.1 COMPARATIVO ENTRE A QUALIDADE DO COQUE
PRODUZIDO PELO PROCESSO HEAT RECOVERY E COQUERIAS
CONVENCIONAIS............................................................................................................28
TABELA 3.3.6.1 MÉTODOS DE PREVISÃO DE RESISTÊNCIA DO COQUE[16].
.....29
-
xv
TABELA 3.3.6.2 TESTES DE
TAMBORAMENTO.......................................................30
TABELA 5.1 ANÁLISES IMEDIATAS E ENXOFRE DOS CARVÕES
INDIVIDUAIS.
.............................................................................................................................................50
TABELA 5.2 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS TESTADAS.
.......................................51
TABELA 5.3 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE DI15015 COQUE
PRODUZIDO INDUSTRIALMENTE NAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE DA
ARCELORMITTAL TUBARÃO E ANALISADO NO
INCAR......................................52
TABELA 5.4 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE CRI E CSR DO
COQUE ANALISADOS NA ARCELORMITTAL TUBARÃO E NO INCAR.
.............54
TABELA 5.5 RESULTADOS DE DI15015, CRI E CSR DAS AMOSTRAS DE
CARVÕES
INDIVIDUAIS E MISTURAS INDUSTRIAIS TESTADOS EM FORNO PILOTO
DE
COQUEIFICAÇÃO.
..........................................................................................................56
TABELA 5.6 RESULTADOS DAS ANÁLISES IMEDIATAS E DE ENXOFRE
DOS
CARVÕES INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES.
............................................60
TABELA 5.7 RESULTADOS DAS ANÁLISES DE PLASTICIDADE DOS
CARVÕES
INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES.
................................................................61
TABELA 5.8 RESULTADOS DE BASICIDADE DA CINZA DOS CARVÕES
INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES.
................................................................62
TABELA 5.1.1 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA DI 15015.
..................63
TABELA 5.1.2 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA DI 15015
UTILIZANDO AS VARIÁVEIS MATÉRIA VOLÁTIL E
LOG(MF)............................64
TABELA 5.2.1 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA CSR PREVISTO
A
PARTIR DO CRI.
..............................................................................................................65
-
xvi
TABELA 5.2.2 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA CRI.
......................66
-
1
1. Introdução
O desafio da produção de coque está em projetar misturas de
carvões que produzam coque a
custo baixo e com elevada qualidade, a ArcelorMital Tubarão mede
a qualidade do coque
através de dois indicadores DI15015 e CSR, e que assegurem o
prolongamento da vida útil das
coquerias até pelo menos 53 anos. As exigências de qualidade do
coque são cada vez mais
rígidas, a ArcelorMital Tubarão visa trabalhar com DI15015 acima
de 85% e CSR acima
65,50%, já que o objetivo é aumentar a produtividade dos
altos-fornos reduzindo o consumo
de coque e aumentando a taxa injeção de carvão pulverizado.
A etapa mais importante na produção de coque esta ligada à
seleção dos carvões a partir de
dados dos fornecedores, as qualidades de carvão são determinadas
geralmente com várias
técnicas analíticas.
Espera-se identificar das características intrínsecas dos
carvões, tais como análises do rank e
composição maceral às propriedades relacionadas à reatividade e
a resistência mecânica a frio
e a quente do coque. Espera-se também desenvolver metodologia de
avaliação dos mesmos,
visando à criação de modelo de previsão da qualidade do
coque.
A ArceloMittal Tubarão atualizou em 2003 seu modelo de previsão
da qualidade[1], todavia
diante da dinâmica do mercado de carvões, entre outros
parâmetros, o projeto evoluiu no
sentido de se tentar desenvolver um modelo específico para
atender a variabilidade atual, e
isolar o efeito do processo industrial através da realização de
testes de carbonização em escala
piloto em um centro de pesquisas e de reconhecimento
internacional dedicado a avaliação de
carvões o INCAR (Instituto Nacional del Carbon –
Oviedo/Espanha).
Existem vários modelos na literatura, e devido as
particularidades da formulação das misturas
de carvões, modelos de baterias de fornos de coque, sistema de
aquecimento, praticas
operacionais, etc. Estes não podem ser simplesmente aplicados
sem levar as limitações citadas
acima em consideração sendo assim os modelos são customizados
para atender as
características de cada unidade produtora de coque, embora
basicamente sejam baseados nas
mesmas características dos carvões, já citadas acima.
-
2
2. Objetivos
Comparar os resultados da qualidade do coque produzido
industrialmente analisado no
INCAR e na ArcelorMittal Tubarão.
Correlacionar o coque produzido industrialmente e em escala
piloto.
Desenvolver modelo de previsão da qualidade do coque baseado na
caracterização
tecnológica dos carvões e misturas.
-
3
3. Revisão Bibliográfica
3.1. Introdução
O carvão é uma mistura complexa de substâncias orgânicas
contendo carbono, hidrogênio e
oxigênio, além de teores mais baixos de nitrogênio, enxofre e
outros elementos minoritários.
A presença de carvão na crosta terrestre é bastante freqüente e,
embora não haja um
equilíbrio geográfico na distribuição de reservas pelo mundo, é
encontrado em todos os
continentes e em mais de 70 países, e em 9 estão concentrados
quase 90% das reservas
recuperáveis onde as maiores estão nos EUA, China, Rússia e
Índia, como apresentado na
Tabela 3.1.1. [2]
Tabela 3.1.1. Distribuição das reservas mundiais recuperáveis de
carvão mineral no mundo
em 2006. [3]
Países Reservas Mundiais
(Milhões de Toneladas)
EUA 246.643
Rússia 157.010
China 114.500
Índia 92.445
Austrália 78.500
África do Sul 48.750
Ucrânia 34.153
Cazaquistão 31.279
Brasil 10.113
Outros 95.671
Total 909.064
A Austrália, Canadá e Estados Unidos são os principais países
exportadores de carvão
mineral para a fabricação de coque de alto-forno. A Tabela 3.1.2
mostra os 5 maiores
-
4
exportadores e importadores do mercado de carvão coqueificável,
sendo que o volume
exportado pelos cinco maiores significou aproximadamente 99% das
exportações de 2005.
Tabela 3.1.2. Comércio mundial de carvão coqueificável de 2005.
[4]
Carvão Coqueificável
Exportação (Mt) Importação (Mt)
Austrália 125 Japão 63
Canadá 26 Coréia do Sul 21
EUA 26 Índia 20
Indonésia 19 Brasil 15
Rússia 12 China 7
A Figura 3.1.1 ilustra as reservas mundiais de carvão mineral no
ano de 2002. No Brasil, as
principais reservas de carvão mineral estão localizadas no Sul
do País, notadamente no Estado
do Rio Grande do Sul, que detém mais de 90% das reservas
nacionais. No final de 2002, as
reservas nacionais de carvão giravam em torno de 12 bilhões de
toneladas, o que corresponde
a mais de 50% das reservas sul-americanas e a 1,2% das reservas
mundiais.
Figura 3.1.1 Reservas mundiais de carvão mineral – situação em
2002. [5]
No Brasil as reservas de carvão mineral estão divididas em 5
regiões[6]:
• Alto Solimões;
• Rio Fresco;
-
5
• Tocantins – Araguaia;
• Ocidental do Piauí;
• Meridional.
A produção de carvão brasileiro, minerado em 1999, atingiu 10,3
milhões de toneladas e 13,8
milhões no ano 2000, e o consumo concentrada na geração de
termoeletricidade.
No ano de 1999 o Brasil importou 16,2 milhões de toneladas de
carvão, destas 62% para uso
na siderurgia e 38,0% refere-se ao consumo de carvão energético
para uso em usinas
termoelétricas e o restante para uso industrial, parte importada
dos Estados Unidos (33%),
Austrália (31%), África do Sul (9%) e Canadá (8%), ao custo de
US$ 600 milhões.
Atualmente, 85% do carvão utilizado no Brasil é consumido na
produção de
termoeletricidade, 6% na indústria cimenteira, 4% na indústria
de papel celulose e os
restantes 5% nas indústrias de cerâmica, de alimentos e secagem
de grãos.
Dentro da diversidade que apresentam os carvões economicamente
significativos do Sul do
Brasil, há algumas características comuns:
• As camadas de carvão estão intercaladas de estéril, o que
obriga à lavra conjunta e
posterior beneficiamento;
• O teor de cinzas dos carvões “run-of-mine” é sempre
elevado;
• As frações de carvão com teor de cinzas relativamente baixo
são escassas e de difícil
separação ou beneficiamento.
No entanto, os carvões de Santa Catarina possuem uma fração com
boas características para
Coqueificação, têm alto teor de cinzas, e possui enxofre apenas
aceitável, conforme Tabela
3.1.3. Na década de 90 a política de liberação da siderurgia do
uso de carvão nacional tornou
a competição com outros mercados fornecedores inviável
economicamente.
-
6
Tabela 3.1.3 Composição química característica do carvão mineral
nacional.
Composição (%)
Carbono 59,87
Hidrogênio 3,78
Oxigênio 7,01
Enxofre 2,51
Cinzas 26,83
Total 100
Os carvões do Paraná podem ser economicamente lavados até teores
de cinzas inferiores a
10%, mas apresentam alto teor de enxofre, na faixa de 1,3%.
Os carvões do Rio Grande do Sul, mais diversificados entre si,
têm pouco enxofre e alto teor
de cinzas; quanto às características plásticas, detectou-se
apenas uma fração da mina do
Leão, com inchamento positivo.
Economicamente, e no atual estágio de conhecimento, só
apresentam condições de lavra as
ocorrências da região Meridional, nos estados do Rio Grande do
Sul, Santa Catarina e
Paraná. Em resumo, as reservas de carvão mineral do Brasil são
de lavras subterrâneas de
difícil beneficiamento. Os carvões mesmo depois de lavados
apresentam cinza e enxofre
altos. Tecnicamente estes carvões poderiam ser utilizados nas
misturas de carvões, porém
economicamente tornaram-se inviáveis por causa de: baixo
rendimento do carvão
coqueificável, elevados custos de extração, beneficiamento e
transporte.
Apesar dos problemas energéticos e econômicos causados pelos
choques do petróleo, as
minas sul-catarinenses atingiram, como produção máxima de carvão
siderúrgico, 1,305
milhões de toneladas em 1980, correspondendo a 23,9% do consumo
das coquerias. Com o
final da crise petrolífera e o aumento dos custos das minas
causados pela exaustão dos trechos
geologicamente mais favoráveis, a produção nacional caiu
gradualmente para cerca de 0,8Mt
no triênio 1987/89, representando bem menos de 10% do consumo
das coquerias, que tinham
crescido do patamar de 5Mt (1978/82) para 10Mt (1987/93).
Finalmente, em 1990, a
desregulamentação total das indústrias carbonífera e siderúrgica
encerraram subitamente o
uso do carvão nacional na siderurgia. Pois o uso intensivo do
carvão brasileiro esbarra em
-
7
suas limitações intrínsecas de qualidade e geologia das jazidas
(baixos rank e grade, jazidas
pequenas, camadas finas e irregulares), com dificuldades sérias
de obtenção de uma produção
em grande escala, a preços internacionalmente competitivos.
O carvão mineral é o mais abundante dos combustíveis fósseis,
com reservas provadas da
ordem de 1 trilhão de toneladas, o suficiente para atender à
demanda atual por mais de
duzentos anos, como indicado na Tabela 3.1.4, estimativa
considerando o tempo que as
reservas durariam, sem novas descobertas e com o nível de
produção de 2002.
Tabela 3.1.4 Reservas, produção e consumo de carvão mineral no
mundo em 2002. [5]
Reservas (R) Produção (P) Consumo R/P Região
106t % 106t % 106t % Anos
America do Norte 257.783,0 26,2 1.072,2 22,2 591,5 24,7
240,4
America do Sul 21.752,0 2,2 53,8 1,1 17,8 0,7 404,3
Europa e antiga
URSS 355.370,1 36,1 1.161,0 24,0 506,1 21,1 306,1
Africa e Oriente
Médio 57.077,0 5,8 231,0 4,8 99,0 4,1 247,1
Asia (Pacifico) 292.471,0 29,7 2.314,7 47,9 1.183,5 49,4
126,4
Total 984.453,1 100 4.832,7 100,0 2.397,9 100,0 203,7
Brasil 11.929,0 1,2 5,80 0,1 12,0 0,5 > 500
3.2. Origem do Carvão
Origem e formação do carvão sempre foram temas de estudos
científicos e, mesmo, para
especulações por parte de geólogos, químicos e, até, de
engenheiros metalurgistas das
grandes siderúrgicas a coque em todo o mundo. O clima, o tipo de
vegetação e a área de
desenvolvimento da matéria vegetal foram os fatores que deram
origem as características dos
carvões. Estas características dependem também das condições de
deposição e das condições
geológicas. A evolução do carvão a partir de matéria vegetal
iniciou-se por degradação em
ambiente aquático de estruturas celulares de matéria orgânica e
vegetal por ação de fungos e
bactérias. Embora não existam evidências concretas da conversão
de um componente em
-
8
outro, visto que os processos que originaram os carvões duraram
milhões de anos, considera-
se que os carvões pertencem a uma série de combustíveis fósseis
sólidos, que começa na
turfa e termina no antracito conforme é mostrado na Tabela
3.2.1. Nesta tabela mostra-se a
composição elementar de cada combustível na sua evolução
geológica.
Tabela 3.2.1 Composição química da madeira e dos combustíveis
fósseis sólidos[2].
Madeira e Combustíveis Fosseis Composição
Madeira Turfa Linhito Carvão Antracito Grafite
Carbono 44-52 50-68 55-75 74-96 90-96 100
Oxigênio 43-42 35-28 26-19 20-3 3-0 0
Hidrogênio 5-6 7-5 6-9 5-1 3-1 0
Constata-se que partindo-se da madeira em direção ao antracito,
há um aumento do teor de
carbono, o processo de enriquecimento em carbono é chamado de
carbonificação, e
diminuição dos teores de oxigênio e hidrogênio. Para que essas
transformações pudessem
ocorrer foram necessárias condições geológicas particulares
(temperatura e pressão)
associados à deposição de sedimentos e fósseis orgânicos, temas
de estudos que levaram às
muitas teorias existentes sobre formação do carvão.
3.3. Classificação dos Carvões
O carvão mineral é uma substancia complexa. Devido à
complexidade de suas propriedades
físicas e químicas e suas várias formas de utilização, existe um
grande número de maneiras
de classificar os carvões que datam desde 1931 e que utilizam
uma variedade de parâmetros e
termos de referência. O método mais utilizado na siderurgia é o
de rank, que é a
determinação do grau de carbonificação, e é utilizado para fins
tecnológicos e de
classificação desse combustível fóssil, o qual se baseia no
conteúdo de voláteis e no poder
calorífico e que aqui denominar-se-á de classe [3].
Já as propriedades coqueificantes dos carvões estão relacionadas
com sua constituição
petrográfica e propriedades reológicas. Quanto à constituição
petrográfica esta é determinada
-
9
com o uso de microscopia óptica, seleciona os carvões de
conformidade com o seu teor em
macerais reativos e inertes, já a capacidade de aglutinação,
reológica, é medida através de
equipamentos específicos como mostrado na Figura 3.3.1, estes
visam determinar a
capacidade de aglutinação de partículas de carvão no estágio
plástico.
Um dos testes da capacidade de aglutinação é o teste de fluidez
ou Plastometria Gieseler, este
mede o número de voltas que uma haste (dial) com 100 divisões,
submetida a um torque
constante de 300 rpm, realiza por minuto (ddpm) no seio de uma
amostra de carvão aquecida
a uma taxa de 3°C/min entre 300 e 500°C. O dial passa por um
máximo de rotação durante a
fase plástica do carvão, entre 430 e 480°C, até parar de girar,
momento que a amostra deixa a
fase plástica e começa a solidificar novamente com temperatura
ligeiramente inferior a
500°C. Carvões que apresentam fluidez entre 100 e 30.000ddpm
possuem boa característica
aglutinante/coqueificante.
Figura 3.3.1. Plastômetro de Gieseler e curva de variação da
fluidez com a elevação da
temperatura da amostra de carvão[8].
Os macerais dos grupos da vitrinita, reativos, tornam-se
plásticos e atuam como material
ligante que envolve os constituintes inertes durante a
carbonização. Os constituintes do grupo
da exinita tornam-se muito fluidos e se volatilizam mais que os
constituintes dos outros
grupos. E, finalmente, os constituintes do grupo da inertita
permanecem inalterados durante a
coqueificação exercendo um efeito depressivo sobre a fluidez,
efeito este sendo mais
-
10
significativo quanto mais finamente estiverem britados. Se os
grãos inertes se apresentarem
demasiadamente grossos, poderão causar centros de fissuração em
função das diferentes
velocidades de contração que possuem em relação aos
constituintes reativos. A fluidez o total
de inertes devem ser, portanto, bem dimensionados para cada
índice de operação das baterias.
O carvão não é uma partícula uniforme, mas uma mistura de
componentes uniformes
denominados macerais. Os macerais desempenham nos carvões papel
similar aos minerais
nas rochas.
O sistema de classificação mais utilizado na siderurgia é o
sistema padronizado pela ASTM.
A versão atual deste sistema é mostrado na Tabela 3.3.1. Como
mencionado, o carvão é
classificado pelo seu teor de matéria volátil e poder calorífico
normalizado para d.a.f (dry-
ash-free que significa seco e livre de cinzas), ou seja, o poder
calorífico é calculado livre de
umidade e do conteúdo de cinzas do carvão.
-
11
Tabela 3.3.1 Classificação ASTM dos carvões por classe [7]
% d
o lim
ite d
e ca
rbon
o fix
o
(sec
o liv
re d
e ci
nzas
)
% d
e m
atér
ia v
olát
il
(sec
o liv
re d
e ci
nzas
)
Pode
r ca
loríf
ico
(Btu
/libr
a)
(sec
o liv
re d
e ci
nzas
)
Classe Grupo
≥ < ≥ < ≥ < Car
acte
ríst
icas
agl
omer
ante
s
I-A
ntra
cito
1. meta antracito
2. antracito
3. semi-antracito
98
92
86
-
98
92
-
2
8
2
8
14
-
-
-
-
-
-
Não
aglo
mer
ante
II -
Car
vão
Bet
umin
oso 1. baixo volátil
2. médio volátil
3. alto volátil A
4. alto volátil B
5. alto volátil C
78
69
-
-
-
88
78
69
-
-
14
22
31
-
-
22
31
-
-
-
-
-
14.000
13.00
11.500
-
-
-
14.000
13.000
C
omum
ente
agl
omer
ante
III
– Su
b-
betu
min
os 1. carvão A
2. carvão B
3. carvão C
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
10.500
9.500
8.300
11.500
10.500
9.500
IV –
Lig
nita
1. lignita A
2. lignita B
-
-
-
-
-
-
-
-
8.300
-
8.300
6.300
Não
agl
omer
ante
A classe do carvão é determinada pela intensidade do
metamorfismo que o carvão sofreu. Os
carvões de maior classe sofreram um metamorfismo maior, enquanto
que os de baixa classe
sofreram menos. A Figura 3.3.1 mostra a variação destas duas
propriedades com a classe do
carvão. O teor de matéria volátil por exemplo muda muito pouco
para uma larga faixa de
carvões betuminosos, mas para a classe antracítica este efeito é
mais pronunciado.
-
12
Figura 3.3.2 Variação dos parâmetros físicos e químicos com a
classe do carvão.
Note as mudanças na matéria volátil e no poder calorífico e
compare com a forma que elas
são utilizadas no estabelecimento do sistema de classificação da
ASTM (Teichmuller, 1982).
O poder calorífico, o qual aumenta regularmente na parte
inferior da tabela de classificação, e
atinge um patamar na classe de médio volátil, e logo após
diminui ligeiramente.
Como uma regra geral, o conteúdo de voláteis diminui à medida
que o nível na classe se
eleva. E por este motivo se tornou e ainda é um meio de
classificação dos carvões apesar de
que melhores correlações entre as propriedades coqueificantes e
os carvões podem ser
obtidas através da petrografia e plastometria. Como a maioria
das propriedades dos carvões
não varia segundo as mesmas leis, para que possam ser obtidos
valores comparáveis, o que se
faz é a determinação da classe do carvão sobre um mesmo maceral.
E para o caso particular
do carvão, a classe é determinada sobre o maceral vitrinita,
pelas seguintes razões: a vitrinita
é o maceral mais abundante e, em conseqüência, o mais
representativo; suas propriedades
variam de modo contínuo durante a carbonificação, podendo ser
observada ao microscópio
óptico em toda a escala de evolução. A Figura 3.3.2 mostra a
faixa onde podem ser
encontrados os carvões para fabricação de coque para alto-forno,
percebe-se também grande
correlação entre matéria volátil e reflectância para estes tipos
de carvões.
-
13
Figura 3.3.3 Refletância dos carvões com o aumento dos
rank[9].
De acordo com a Figura 3.3.2 os carvões coqueificáveis estão
entre 0,7 a 1,6% de refletância
o que corresponde a voláteis entre 16 e 35% de voláteis.
3.3.1. Constituintes Petrográficos – Nomenclatura e
Características
De forma sucinta, o carvão mineral pode ser definido como uma
rocha sedimentar composta
principalmente de macerais, minerais e de água inclusa em poros.
São originados de restos de
diferentes órgãos e tecidos de plantas e suas propriedades
físicas e químicas variam conforme
a carbonização se processa. Os macerais se comportam de forma
similar aos minerais nas
rochas inorgânicas. Os carvões contém, em diferentes proporções,
matéria mineral e
macerais, os quais levam ao conceito de caracterização de
carvões de acordo com os seus
tipos. A classe do carvão e o tipo de carvão podem ser
considerados como componentes
independentes e fundamentais na classificação dos carvões
[10].
Somente carvões que ocorrem em um particular rank pode produzir
coque, como citado
-
14
acima. O maceral vitrinita apresenta grande quantidade de
ligações de Van der Waals
Hidrogênio/Carbono que são mais fracas que as ligações
oxigênio/carbono que ocorrem em
carvões de baixo rank. A esta característica está correlacionada
a existência de
comportamento plástico sob aquecimento destes tipos de
carvões.
O maceral mais comum é a vitrinita. É o grupo de macerais mais
abundante, principalmente
nos carvões do hemisfério norte (aproximadamente 80 ± 10%). A
caracterização do carvão de
acordo com seu conteúdo de macerais não vitriníticos e minerais
então fornece uma visão
interior dos desvios das propriedades da massa bruta de carvão
das propriedades da vitrinita
daquela classe. Portanto, para se comparar carvões, deve-se
reconhecer opticamente tanto a
classe, que reflete o estágio de alteração metamórfica, e o tipo
de carvão que reflete a
heterogeneidade química inerente dos diversos materiais dos
quais o carvão se formou.
Os vários tipos de macerais são frequentemente combinados em
três grandes grupos em
função de suas propriedades ópticas, físico-químicas e
tecnológicas:
Exinita – também conhecida como liptinita. É formada
principalmente pela exina dos esporos
e polens que é a membrana protetora, mecânica e quimicamente
muito resistente, protegendo
as células germinais dos vegetais. É o maceral que possui os
maiores teores de hidrogênio
alifático, de matéria volátil e poder calorífico. A exinita tem
menor densidade e grau de
aromaticidade. Ela mostra a maior intensidade de inchamento e
produz os carvões
devolatilizados mais porosos. Formam esse grupo de macerais: a
Esporinita, a Cutinita, a
Alginita, a Resinita e a Liptodetrinita. Esses compostos são
identificados pela forma e cor.
Em luz refletida, a Exinita, em geral, tende para a tonalidade
preta, podendo apresentar
variantes de marrom, castanho escuro, castanho avermelhado,
conforme a natureza do carvão
a que pertence.
Inertinita – esse grupo é principalmente o dos tecidos
fusinizados em lentes ou em
fragmentos, e seu nome provém das propriedades quase nulas de
fusibilidade por ocasião da
coqueificação. Formam esse grupo de macerais: a Fusinita, a
Semifusinita, a Inertodetrinita, a
Micrinita, a Micrinita e a Esclerotinita, cada um deles podendo
ser identificado por
características de cor e forma. Suas cores características são
variantes de tonalidades de
branco. Contem a maior proporção de hidrogênio aromático e,
normalmente, contem a menor
proporção de hidrogênio alifático. Ela possui a maior densidade
e o menor poder calorífico.
-
15
Vitrinita – também conhecida como humenita, é de longe o mais
abundante dos três
macerais. Ela mostra propriedades intermediárias entre os outros
dois tipos de macerais
acima. Esse grupo de maceral é formado pela Telinita, Colinita e
Vitrodetrinita que são
caracterizadas por sua estrutura, conforme a tonalidade da cor
cinza.
A Tabela 3.3.1.1 resume as principais características do
principal grupo maceral.
Tabela 3.3.1.1 Principais grupos macerais.
Vitrinita Exinita Inertinita
- fusibilidade;
- alto poder coqueificante.
- rico em matérias voláteis;
- pior moabilidade.
- pobre em matérias voláteis;
- alto teor de carbono e baixo
teor de hidrogênio;
- não tem poder coqueificante.
A Tabela 3.3.1.2 mostra as principais diferenças em termos de
participação de macerais nos
hemisférios sul e norte. Isto demonstra as diferenças que ao
longo dos períodos geológicos
foram submetidos a inúmeras influências biológicas, químicas
durante sua formação.
Tabela 3.3.1.2 Distribuição maceral por hemisfério[9].
Macerais Hemisfério Norte Hemisfério Sul
Vitrinita 80 ± 10% 40 ± 10%
Exinita 10 ± 5% 10 ± 5%
Inertinita 10 ± 5% 50 ± 10%
Á medida em que o carvão vai se formando, os três tipos de
macerais se tornam mais ricos
em carbono. A Figura 3.3.1.1 mostra o caminho de coalificação
das exinitas, vitrinitas,
inertinitas e suas derivativas em termos das relações
hidrogenio/carbono e oxigênio/carbono.
-
16
Figura 3.3.1.1 Diagrama de Van Krevelen mostrando o caminho de
coalificação da exinita,
inertinita e vitrinita. Modificado de Tissot e Welt (1987).
Durante este processo, as propriedades químicas da vitrinita se
alteram uniformemente. O
conteúdo de oxigênio e de voláteis diminuem, enquanto que o teor
de carbono aumenta. A
fração do hidrogênio que está na forma aromática se eleva de
forma progressiva, enquanto
que a fração ligada aos grupos alifáticos diminui.
Entretanto, as mudanças nas propriedades físicas e químicas da
vitrinita não são
completamente uniformes, e ocorrem em quatro estágios
descontínuos. O primeiro se inicia
na classe de carvão betuminoso alto volátil, onde o carvão
contém aproximadamente 80% de
carbono. O segundo estágio se inicia na classe de carvão
betuminoso médio volátil, onde o
carvão contém aproximadamente 87% de carbono, e é caracterizado
pela marcante redução
de oxigênio e o inicio da geração de metano (CH4). O terceiro
estágio se inicia nos limites
entre as classes de semi-antracito e antracito, onde o carvão
tem aproximadamente 91% de
-
17
carbono. Neste momento, grande quantidade de hidrogênio é
liberada como metano,
enquanto que os hidrocarbonetos aromáticos são formados. A
exinita não se modifica
significativamente até a condição de sub-betuminoso. Nos limites
de carvão sub-betuminoso
a exinita entra em outro estagio marcado pela redução nos
voláteis e aumento no teor de
carbono. Na classe de carvão betuminoso médio volátil, a exinita
entra em um terceiro
estagio marcado pela redução do hidrogênio e dos voláteis. Na
classe de carvão baixo volátil
a exinita assume as propriedades ópticas e químicas da
vitrinita. A inertinita não sofre
modificação significativa neste processo. Ela é rica em carbono
e contem uma elevada
proporção de hidrocarbonetos aromáticos e portanto sofre muito
pouca alteração. À medida
que a coalificação continua, o oxigênio e o hidrogênio
remanescentes são eliminados e o teor
de carbono se eleva.
A Figura 3.3.1.2 mostra o as regiões de otimização da
resistência do coque, DI15015,
baseados nas relação entre hidrogenio e carbono e oxigênio e
carbono dos componentes
reativos dos carvões.
Figura 3.3.1.2 Modelo de Asada para DI15015 baseado nas relações
atômicas de hidrogênio e
carbono e oxigênio e carbono[11].
-
18
3.3.2. Constituição Macroscópica dos Carvões.
O macerais são os componentes básicos dos carvões. Entretanto,
eles não ocorrem
isoladamente, apresentando-se associados uns aos outros e com
quantidades variáveis de
matéria mineral. Essas associações são quase sempre
distinguíveis a olho nu e são
responsáveis pela estrutura estriada dos carvões. São
denominadas, de modo genérico, de
litotipos e microlitotipos conforme possam ou não ser
distinguidos a olho nu e são utilizadas,
frequentemente, na descrição do comportamento de carvões do
ponto de vista físico,
associada ao seu comportamento no tratamento mecânico,
concentração, exploração.
Os quatro litotipos mais comuns são:
Vitrênio – constituído de faixas ou leitos brilhantes,
contínuos, com terminações lenticulares,
na maioria das vezes com alguns milímetros de espessura (3 a
5mm). Quebra-se cubicamente
e é bastante friável. O exame ao microscópio revela que o
vitrênio é constituído por
associações de macerais muito ricos em vitrinita.
Durênio – designa os leitos caracterizados pelo brilho fosco e
pela cor que varia de cinza a
marrom escura. E muito duro e seus leitos são particularmente
coerentes e as fissuras que o
percorrem são muito finas e bastante raras. O exame microscópico
revela que é constituído
por associações de macerais ricas em exinita e em
inertinita.
Clarênio – designa todos os leitos que apresentam aspecto entre
o do vitrênio e o durênio. É
constituído por bandas brilhantes e foscas, finamente
estratificadas e de espessura inferior a
3mm. É o componente mais freqüente, e o exame microscópico
revela que é, constituído por
proporções variáveis de macerais dos grupos da vitrinita,
exinita e inertinita.
Fusênio – é o único perfeitamente definido. É facilmente
reconhecido macroscopicamente
pela sua cor e pelo brilho sedoso. É caracterizado por outro,
pela sua estrutura fibrosa e
grande friabilidade. Ele pode incluir uma grande proporção de
substâncias minerais que o
consolidam, a ponto de às vezes perder sua friabilidade.
A Tabela 3.3.2.1 mostra as principais características dos
litotipos.
-
19
Tabela 3.3.2.1 Principais características dos litotipos.
Litotipos Características
Vitrênio - espessura 3 a 5mm;
- friável;
- macerais muito ricos em vitrinita;
Durênio - cor que varia de cinza a marrom escura;
- muito duro;
- macerais ricos em exinita e em inertinita;
Clarênio - aspecto entre o do vitrênio e o durênio;
- espessura inferior a 3mm;
- constituído por proporções variáveis de vitrinita, exinita e
inertinita;
Fusênio - grande friabilidade;
- grande quantidade de substâncias minerais.
Figura 3.3.2.1 mostra uma seqüência de fotomicrografias dos
principais grupos de macerais
e submacerais encontrados o carvão.
Além dos componentes orgânicos, os carvões apresentam também
associados ou não aos
primeiros, quantidade variável de matéria mineral. Ela pode
ocorrer finamente disseminada
na massa de carvão ou em partes discretas, algumas
identificáveis a olho nu. Entretanto para
o caso da siderurgia interessa apenas aquelas disseminadas
microscopicamente e que não são
removidas no beneficiamento do carvão minerado e irão constituir
as cinzas do carvão
comercializado.
-
20
Figura 3.3.2.1. Macerais e submacerais de carvão. [Chave:
superior esquerdo: vitrinita;
superior direito: esporinita; intermediário superior esquerdo:
cutinita; intermediário superior
direito: resinita; intermediário inferior esquerdo:
semifusinita; intermediário inferior direito:
fusinita; inferior esquerdo: micrinita e inferior direito:
esclerotinita[12]]
3.3.3. Importância da Petrografia dos Carvões.
Há uma ligação importante entre a estrutura microscópica dos
carvões betuminosos e certas
propriedades físicas e químicas desse combustível fóssil, dai as
possibilidades de aplicação
prática da petrografia do carvão nos ramos da produção de coque,
da mineração, da
lavabilidade e da combustão.
A vitrinita, geralmente contribui mais significativamente para a
fusibilidade do carvão durante
a transformação de carvão em coque. Dos carvões fusíveis tendo
matérias voláteis entre 18%
e 35%, possuem poder coqueificante muito elevado ligado ao seu
poder de inchamento e a sua
-
21
forte plasticidade, resultado da grande quantidade de ligações
de Van der Walls relativamente
fracas entre hidrogênio e oxigênio existentes neste grupo de
maceral.
A exinita, é o material mais rico em matérias voláteis, o de
maior poder de inchamento, de
pior moabilidade o mais rico em alcatrões e hidrogênio. Intervém
na coqueificação dos
carvões de mais de 25% de matérias voláteis, como o elemento
mais rico em subprodutos e na
gaseificação.
A inertinita é a fração mais densa e a menos rica em matérias
voláteis, tem alto valor de
carbono e baixo teor de hidrogênio. Não tem poder coqueificante,
mas na fabricação do coque
desempenha papel importante para controlar, nas misturas a
coqueificar, pois existe uma forte
percepção que, para uma dada classe de carvão, tem uma relação
ótima de componentes
fusíveis e infusíveis para se obter a maximização da resistência
do coque.
Certamente que a aplicação prática mais desenvolvida da
petrografia dos carvões está na
previsão das propriedades coqueificantes de misturas de
carvões.
A determinação do poder refletor associada à análise
quantitativa dos macerais, qualificados
em reativos e inertes, permite ao fabricante de coque conhecer
com exatidão a composição
maceral dos carvões de que ele dispõe para enfornamento, podendo
corrigir suas misturas em
função dessa composição, a fim de obter, em todos os casos, o
melhor coque siderúrgico
possível.
Conforme explanado anteriormente, os macerais do carvão têm
propriedades físicas e
químicas, extremamente diferentes. O teor em matérias voláteis,
em hidrogênio, a densidade
e o inchamento variam de um grupo de macerais a outro. A
estrutura dos coques
correspondentes é reflexo dessas propriedades; o coque tem
cavidades tanto maiores e mais
abertas quanto mais elevado é o teor em vitrinita e em exinita.
Essa estrutura particular
corresponde a um forte desprendimento de gás (matérias voláteis)
durante a zona de fusão ou
fase plástica. A fusão não é suficiente para provocar o
inchamento e se a matéria fundida é
muito fluida e muito pouco aglutinante os gases se escapam sem
produzir inchamento, e este
é fator indispensável na obtenção do coque.
-
22
3.3.4. Comportamento dos Macerais durante a Coqueificação
Os resultados de diferentes estudos ao longo da evolução da
petrografia permitiram a divisão
dos macerais do carvão, em termos de seus comportamentos durante
a coqueificação, em
dois grupos: o dos reativos, englobando os macerais que sofrem
fusão e posterior
ressolidificação, e funcionam como ligantes, e inertes, que
incluem os macerais que não
sofrem fusão e permanecem, praticamente, inalterados durante a
carbonização e têm de ser
aglomerados durante o processo.
Os macerais reativos são a vitrinita, a exinita e quantidades
variáveis de constituintes do
grupo da inertinita (principalmente, a semifusinita) e os
inertes são a semifusinita, fusinita,
micrinita, inertodetrinita, esclerotinita, matéria mineral e
quantidades variáveis de vitrinita
(geralmente baixas quantidades nos carvões usados na siderurgia
a coque). A distribuição
dos macerais em reativos ou inertes não segue, portanto, uma
regra absoluta já que, alguns
macerais reativos poderão apresentar caráter inerte ou
vice-versa. Assim é que,
principalmente, dependendo da origem, da classe e do grau de
oxidação de um carvão, alguns
dos macerais reativos poderão ser inseridos no grupo dos
inertes.
3.3.5. A Coqueificação
A coqueificação em coquerias convencionais é o fenômeno que
ocorre quando o carvão é
submetido a temperaturas elevadas, em ausência de oxigênio,
provocando a liberação de
gases e o aparecimento de um resíduo sólido, poroso, que é o
coque.
Uma coqueria convencional, com recuperação de subprodutos, é
constituída de fornos
verticais geralmente de 11 a 15m de comprimento, de 3 a 7m de
altura e de 300 a 550mm de
largura média. O número de fornos de uma bateria de fornos de
coque é bastante variado
podendo ser entre 12 e 60 fornos.
Neste processo o carvão atinge o estado plástico e dilata para
finalmente solidificar-se, sendo
que este mecanismo não é ainda completamente conhecido, portanto
sendo campo aberto às
pesquisas.
-
23
O estado plástico do carvão segundo alguns autores é um processo
puramente físico,
correspondendo a fusão de um material termoplástico, e, portanto
independente da pirólise.
Este fato foi comprovado experimentalmente, verificando-se a
reversibilidade do processo
neste estágio.
O estado plástico depende quase que inteiramente da composição
petrográfica, sendo tanto
menor quanto maior a porcentagem de vitrinita do carvão, Figura
3.3.5.1 mostra curvas de
fluidez e matéria volátil para vários carvões. A temperatura de
amolecimento seria então
independente da temperatura de inicio da decomposição térmica
(Habermehl et al, 1963).
Figura 3.3.5.1 Variação da máxima fluidez para diversas matérias
voláteis de carvões.
-
24
Já a dilatação é causada principalmente pela resistência
oferecida à liberação dos gases, a
ressolidificação é a conseqüência da volatilização e
decomposição dos produtos fluídos.
Após a ressolidificação, a massa residual sofre ainda uma perda
em peso e aumento na
densidade o que provoca sua contração.
O carvão é aquecido em coquerias convencionais a temperaturas
entre 1100 a 1350°C em
ausência de oxigênio e decompõe-se formando:
a) Alcatrão, óleos leves e gás de coqueria.
b) Coque, que é o resíduo resultante, sólido, poroso, formado
essencialmente de carbono,
cujas propriedades devem ser compatíveis com as exigências de
qualidade impostas pelo alto-
forno, disponibilidade de carvões e metodologia de produção da
coqueria.
Em função das temperaturas caracterizadas pelas propriedades
plásticas dos carvões, o
processo de coqueificação pode ser assim esquematizado como
mostrado na Figura 3.3.5.2,
logo após o enfornamento inicia-se a fase de secagem do carvão e
ao final da coqueificação
ultrapassar a temperatura de 900°C tem-se o semicoque.
Figura 3.3.5.2. Processo de Coqueificação[11].
Onde:
• Ta – temperatura de inicio de amolecimento;
• Ti - temperatura de inicio de inchamento;
• Tm - temperatura de máxima fluidez;
Ta Ti Tm Tv Tr
Carvão Estado plástico Semicoque
-
25
• Tv - temperatura de desvolatização máxima;
• Tr – temperatura de ressolidificação.
A transformação do carvão em coque é realmente iniciada no ponto
“Ta” sendo a soma de
dois fenômenos distintos que se realizam parcialmente:
a) Primeiro estágio da coqueificação - ocorre entre as
temperaturas “Ta” e “Tr”, ou seja,
aproximadamente entre 350 e 550°C com desprendimento, sobretudo
de hidrocarbonetos e
todo o alcatrão. Nesta fase, o inchamento do carvão ocorre
praticamente entre as
temperaturas “Ti” e “Tm”, sendo que esta última quase se
confunde com “Tv”.
b) Segundo estágio de coqueificação - ocorre acima da
temperatura “Tr”, ou seja,
aproximadamente entre 550 e 900°C não havendo mais
desprendimento de alcatrão e o gás
contendo muito hidrogênio. Esta é a fase de transformação do
semicoque em coque.
Na prática, o carvão carregado em uma célula de uma bateria de
fornos de coque entra em
contacto com as duas paredes aquecidas e o calor é transmitido,
por condução, para o centro
da carga, conforme mostrado na Figura 3.3.5.3 onde se pode ver
na foto do forno
coqueificado a linha central do encontro das isotermas. De cada
parede surgem duas
superfícies planas isotérmicas que caminham para o centro da
carga, a primeira delas
representada pela temperatura “Ta” e a outra, mais próxima da
parede, pela temperatura "Tr".
O material situado entre as isotermas formam uma camada de
aproximadamente 15mm de
espessura constituindo o "envelope plástico", ocorrendo aí o
primeiro estágio da
coqueificação. A seguir o processamento das reações finais de
condensação e
desidrogenação, características do segundo estágio da
coqueificação, transformam o
semicoque em coque.
-
26
Figura 3.3.5.3. Isotermas de coqueificação[14], com foto de um
forno coqueificado à direita.
A velocidade de avanço das isotermas, no seu caminho desde a
parede dos fornos até o centro
da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificação está
terminada com o encontro destas
duas frentes plásticas. O tempo total para a coqueificação de
uma carga nos fornos industriais
varia de 13 a 24 horas sendo função essencialmente da largura do
forno, temperatura de
operação e densidade da carga de carvão.
A Figura 3.3.5.4. mostra a foto de uma coqueria de grande
porte.
Figura 3.3.5.4 Vista superior das Baterias de fornos de coque da
ArcelorMittal Tubarão a
esquerda e desenho esquemático de uma bateria convencional a
direita.
-
27
3.3.5.1. Novas Tecnologias de Fabricação de Coque
No mundo, a produção de coque metalúrgico ainda vem
principalmente a partir de coquerias
convencionais do tipo by-products, conforme mostrado na Figura
3.3.5.4. O segundo método
de produção de coque metalúrgico é o Heat Recovery/Non Recovery,
a Figura 3.3.5.1.1
mostra o desenho esquemático de uma coqueria heat recovery. A
produção deste coque no
mundo pode ser encontrada nos seguintes países: 1) E.U.A., 2)
China, 3) Austrália, 4) Brasil,
5) Columbia, 6) Peru . Estes centros de Heat Recovery/Non
Recovery de produção de coque
têm a concepção básica composta de um leito aquecido de carvão
dentro de uma câmara de
combustão. O gás gerado é oxidado diretamente acima do
carvão/coque que fornece e
consome a energia necessária para a coqueificação. No processo
Heat recovery o calor dos
gases exaustos é utilizado em caldeiras para a geração de
energia elétrica, já no processo Non
Recovery não há a recuperação do calor dos gases[15].
Figura 3.3.5.1.1 Desenho esquemático de uma coqueria heat
recovery[15].
Segundo Valia, como mostrado na Tabela 3.3.5.1.1, geralmente a
qualidade do coque
produzindo em uma coqueria do tipo heat recovery será superior
ao coque produzido por uma
mesma mistura de carvões em uma bateria convencional. Diferença
esta explicada pelo maior
tempo de Coqueificação, 48 horas contra 16 horas em coquerias
convencionais (menor
velocidade de coqueificação), maiores temperaturas dos fornos
1450°C contra 1350°C em
baterias convencionais e elevando tempo de super-coqueificação
(2 horas contra 1 hora em
coquerias convencionais).
-
28
Tabela 3.3.5.1.1 Comparativo entre a qualidade do coque
produzido pelo processo heat
recovery e coquerias convencionais.
Qualidade do Coque Heat Recovery Convencional
CSR (%) 70 62
M40 (%) 86 84
3.3.6. Modelos de Previsão de Resistência do Coque
Diversos métodos foram desenvolvidos na Rússia, EUA, Europa e
Japão para previsão de
índices de resistência mecânica baseando-se nos resultados de:
análise petrográfica, análises
estatísticas de dados industriais e/ou coqueificação em escala
piloto, alguns são apresentados
na Tabela 3.3.6.1. Os métodos inicialmente propostos foram
desenvolvidos para carvões do
hemisfério norte e não podem ser aplicados com suficiente
precisão para carvões do
hemisfério sul, particularmente, de altos teores de inertes. Os
métodos de previsão de
resistência podem ser divididos em dois grandes grupos: um com
métodos em que se faz a
previsão do valor de um índice de resistência e outro com
métodos que definem uma "janela
de propriedades aglutinantes" para as misturas que originam
índices de resistência iguais ou
superiores ao mínimo exigido.
-
29
Tabela 3.3.6.1 Métodos de previsão de resistência do
coque[16].
Autor Parâmetros Parâmetro Previsto
Simonis Fator G (resultados dilatométricos), largura do
forno densidade de carga e tempo de coqueificação
M40
Radek Fator E (resultados dilatométricos e FSI), fator Z
(distribuição granulométrica) e matéria volátil
M40, M10
Ammosov Índice de “Leanness” (análise maceral) capacidade
de coqueificação (Rmáx. e análise maceral)
Índice Sundgren
(Resíduo de Tambor)
Schapiro e Gray Índice de inertes (análise maceral), índice
de
resistência, (Rmáx, histograma de refletância e
análise maceral)
Estabilidade ASTM
Thompson e Benedict Modificação do método Schapiro/Gray
Estabilidade ASTM
Koba Matéria Volátil, carbono, hidrogênio, oxigênio,
Rmáx., teor de inertes, dilatação total e fluidez
máxima
DI 150-15
USBM Matéria Volátil, cinza, carbono, taxa de
Coqueificação, expansão/contração, densidade de
carga e preparação da carga (umidade e % de
partículas menores que 6mesh)
Estabilidade e dureza ASTM
MOF (Miyazu et all) Diagrama MOF (Rmáx.fluidez máxima) Garantia
de resistência
A maioria destes modelos foi criada entre 1950 e 1970, para as
condições especificas do
mercado de carvão existente, período em que o maior exportador
era o Americano, atualmente
o maior exportador mundial de carvões coquei ficáveis é a
Austrália. Na Europa, exceto na
Rússia e os países do Leste Europeu não existem minas em
condições econômicas de
exploração, mesmo assim as condições de extração no Leste
Europeu são cada vez mais caras
devido a baixa disponibilidade de carvões de boa qualidade e a
profundidade das minas. Com
isto, apenas as siderúrgicas americanas, que recebem incentivos
para utilizar 100% de carvões
locais, segue os modelos de previsão de resistência mecânica
ASTM. Mesmo assim pode-se
ver que existem diferentes métodos para prever o mesmo parâmetro
de qualidade do coque a
partir das mesmas características dos carvões, isto porque
fatores como a preparação da
mistura e peculiaridades das baterias também interferem no
resultado da qualidade do coque
produzido. Para os demais paises, apenas MOF é ainda utilizado
como referência, já que este
não se baseia em indicadores de qualidade dos carvões, mas em
uma janela de Coqueificação
limitada por uma faixa da refletância da vitrinita e fluidez
máxima dos carvões individuais.
-
30
A resistência mecânica do coque a frio é definida como sendo a
sua capacidade em resistir à
fragmentação por solicitações mecânicas, impacto e/ou abrasão,
em um tambor rotativo.
Determina-se a extensão de sua redução granulométrica após ser
submetido a um número fixo
de revoluções em tambor de características padronizadas.
A Tabela 3.3.6.2 apresenta os principais testes de tamboramento
utilizados para medir a
resistência a frio do coque de alto-forno ao impacto, compressão
e abrasão, simulando
parcialmente o efeito das cargas suportadas pelo coque na zona
de preparação do alto-forno.
Tabela 3.3.6.2 Testes de tamboramento.
Tambor MICUM IRSID JIS ASTM
Norma MO3-046 MO3-046 K2151 D294-64
Granulometria do Coque (mm) +60 +20 +25 51-76
Peso da Amostra (kg) 50 50 10 10
Dimensões do Tambor (m) 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 1,5 x 1,5 0,914 x
0,457
Velocidade de rotação (rpm) 25 25 15 24
Total de Revoluções 100 500 30 ou 150 1400
Peneiras (mm) 60,40 e 10 40,20 e 10 50, 25 e 15 25 e 6
Furo das Peneiras Redondo Redondo Quadrado Quadrado
Símbolo dos índices M40
M10
I40
I20 e I10
DI 3015
DI 15015
Estabilidade (+25mm)
Dureza (+6mm)
Os resultados dos testes de tamboramento podem ser expressos de
duas formas: um que
considera a quantidade de finos produzidos e que corresponde a
resistência a abrasão
representados pelos símbolos M10, I20 e I10 e o outro
expressando a quantidade de coque
graúdo remanescente do tamboramento, indicando a resistência ao
impacto e abrasão
representados pelos símbolos M40, I40, DI 3015, DI 15015 e
Estabilidade ASTM.
3.3.7 Modelos de Previsão de Propriedades a Quente do Coque
A importância da caracterização da resistência do coque a altas
temperaturas, principalmente,
a determinação da resistência do coque após reação com C02
(CSR), foi revelada em
pesquisas básicas e nas dissecações de altos-fornos realizadas
no Japão. A prática operacional
-
31
mostrou que o CSR apresentava alguma influência no desempenho do
alto-forno (a
permeabilidade da carga é melhorada com o aumento do CSR).
Kojima e Sakurai mostraram
que não apenas a resistência a frio do coque podia ser prevista
a partir da petrografia de
carvão, mas também o CSR a partir do volume de inertes e da
refletância média (Ro). A
Figura 3.3.7.1 mostra as curvas usadas por Kojima para a
previsão de CSR.
Figura 3.3.7.1 Relação da resistência após reação (CSR) e teor
de inerte maceral.
Como pode ser observado no gráfico, a faixa ótima de inertes
macerais dos carvões está entre
20 e 30%, e reflectância média entre 1,1 a 1,4%. Com isto
limita-se a utilização de carvões do
hemisfério sul e carvões alto voláteis com reflectância media
abaixo de 1% e baixo voláteis
com reflectância acima 1,4%. A maioria dos primeiros modelos
formulados estão mais
-
32
ligados a origem dos carvões e ao seu nível de exportação e
consumo destes materiais, que
basicamente na década de 60 eram americanos ou europeus. Após
estudos de Canadenses e
Australianos, estes verificaram que a composição química da
cinza pode ser mais importante
no controle de CRI que o rank, acelerando a taxa de reação de
diferentes rank de carvões em
presença de CO2, Price et Al sugerem o diagrama mostrado na
Figura 3.3.7.3. A Figura
3.3.7.2 mostra que para carvões Australianos, embora estes
apresentem mais inertes macerais
possuem CSR mais elevados que os carvões Americanos.
Figura 3.3.7.2 Relação da resistência após reação (CSR) e a
resistência mecânica a frio
(DI3015) .
-
33
Figura 3.3.7.3 Relação da basicidade da cinza de carvões
Canadenses e CSR para uma dada
refletância.
Pearson, afirma que os testes de CSR (norma ASTM) e DI (norma
JIS) tem comportamento
similar com referencia a petrografia e rank. E observando a
Figura 3.3.7.2 pode ser visto que
estes não tem correlação entre si. E também pode ser notado que
para carvões coquei ficáveis
(hard coking coals) os carvões Canadenses e Australianos tem
melhores valores de CSR[17].
Miyazu, Okuyama e Fukuyama (MOF) apresentaram um modelo que
determinava o intervalo
permitido para fluidez e refletância para que se produza um
coque com resistência mecânica a
frio compatíveis ao uso de altos-fornos[18]. O diagrama também
delimita o intervalo plástico
para as misturas que deve estar entre 60 e 1000dpm. A Figura
3.3.7.4 mostra o diagrama de
MOF. Pode ser observado que o rank parece correlacionar-se com
fluidez e refletância
somente para carvões americanos, e que o intervalo para se
produzir um coque com boa
resistência mecânica deve-se trabalhar no intervalo de rank
entre 1,2 e 1,3% de refletância, o
que confirma as afirmações de Pearson.
-
34
Figura 3.3.7.4 Reprodução do diagrama original de MOF mostrando
a relação entre fluidez e
rank (reflectância) e a janela onde podem ser obtidos valores de
DI 3015 entre 90 e 92%.
Os modelos tão diferentes embora tenham características em comum
so podem ser explicados
pela origem, os carvões do Canada são do período Cretácio, são
carvões de água doce e
formados pela pressão de depósitos de água doce que tinham
volumes e pressão menores do
que os dos oceanos. São mais novos 150 milhões de anos que os
carvões Americanos. Dessa
forma, o comportamento desses carvões é completamente diferente
dos carvões americanos.
Os carvões americanos são carvões de água salgada. Formados pela
pressão dos oceanos há
350 milhões de anos e foram muito mais pressionados e
compactados pelos oceanos e muito
mais velhos em sua idade geológica que os demais. Os carvões do
Canadá não respondem da
mesma maneira aos requerimentos da coqueificação como os carvões
Americanos que são
muito mais antigos. Os carvões do Canadá tem que ser trabalhados
com outros carvões de
maior poder coqueificante, como o fazem para os carvões
Australianos. Os carvões
Australianos e Europeus (Polônia) são do Período Pretácio e
foram formados há 280 milhões
de anos.
-
35
As usinas brasileiras, evitaram por anos comprar carvão do
Canadá por serem muito
diferentes dos carvões Americanos. É bom lembrar que há 40 anos
atrás o mundo só
consumia o carvão Norte-Americano e mesmo os carvões
Australianos foram submetidos a
estudos por anos e anos até serem aprovados na produção de coque
para altos-fornos.
-
36
4. Procedimentos Experimentais
No período de janeiro de 2006 à abril de 2008 se estudaram 21
carvões individuais,
compostos por 5 carvões Americanos, 11 Australianos, 2
Canadenses, 2 Colombianos e 1
Polonês, 1 mistura preparada em laboratório e 15 misturas
industriais com seus
correspondentes coques.
As amostras de carvões individuais e as amostras de misturas
industriais e seus respectivos
coques foram caracterizados tecnologicamente de forma
convencional no INCAR (Instituto
Nacional del Carbon – Oviedo/Espanha) e seus resultados serão
apresentados no capítulo 5.
Também foram enviadas ao INCAR, para análises, amostras de
coques industriais que foram
analisadas pelo Laboratório da Coqueria da ArcelorMittal Tubarão
e seus resultados serão
comparados no capítulo 5. As análises das amostras de carvões,
misturas de carvões e coque
foram realizadas conforme as normas descritas a seguir.
4.1. Descrição de Equipamentos e Procedimento Experimentais
As amostras dos carvões individuais foram coletadas através do
amostrador automático do
sistema de recebimento de carvões antes do empilhamento no pátio
de carvões. As misturas
industriais foram coletadas na saída do sistema de preparação de
carvões após a dosagem e
britagem da mistura e o coque industrial após o peneiramento na
malha de 25mm do sistema
de tratamento de coque.
Para realizar a caracterização dos carvões individuais e das
misturas de carvões se tomaram
amostras representativas de aproximadamente 1.000kg, que são
subdivididas em diferentes
subamostras. Uma das subamostras de aproximadamente 2kg está
dividida em duas partes,
uma para a determinação da umidade e granulometria. A outra
parte de tamanho adequado
para realizar análise imediata (tamanho da partícula
-
37
A Figura 4.1 mostra o fluxograma dos procedimentos
experimentais.
Figura 4.1.1 Fluxograma Geral.
4.1.1. Análises Imediatas e Enxofre Total
Nas análises imediatas incluem a determinação da umidade, cinza
e matéria volátil. Os
procedimentos normalizados para análise de carvão e coque
utilizados foram: umidade -
norma ISO589; cinzas - norma ISO1171; matéria volátil – norma
ISO562. A partir da cinza
foram determinadas a composição química através da norma ASTM
D6349.
Para determinação do enxofre total realizaram-se no equipamento
automático LECO SC-132,
conforme Figura 4.1.1.1.
-
38
Figura 4.1.1.1 LECO SC 132 um instrumento utilizado para medir o
teor de enxofre total de
amostras sólidas e líquidas.
4.1.2. Análise Termogravimétrica
As análises termogravimétricas das amostras se realizaram em um
analisador simultâneo TA
Instruments SDT 2960 de desenho horizontal, como mostrado na
Figura 4.1.2.1, obtendo-se
tanto as curvas de perda de peso (TG) com as suas
correspondentes primeira derivada com
relação ao tempo (DTG). A partir das curvas se determina a
temperatura de máxima perda de
voláteis e a velocidade de perda de matéria volátil, assim com a
quantidade de mátria volátil
desprendida em intervalos de temperatura específicos e o
rendimento em resíduo à
temperatura final de pirólise.
Aproximadamente 20mg de amostra de tamanho de partícula
-
39
Figura 4.1.2.1 Vista Frontal do equipamento TA Instruments SDT
2960.
4.1.3. Ensaio de Fluidez Gieseler
Este ensaio foi realizado em um Plastômetro Gieseler, R. B.
Automazione modelo PL2000,
conforme Figura 4.1.3.1, de acordo com o procedimento descrito
pela norma ASTM D2639-
74. Os valores de fluidez se registram automaticamente em
intervalos de tempo prefixados (1
minuto) como uma média ponderada dos valores obtidos durante um
intervalo de tempo. As
unidades em que se especificam os valores são divisões do dial
por minuto (ddpm).
Os seguintes parâmetros são definidos neste ensaio:
• Tr: temperatura de amolecimento, que é aquela registrada
quando o carvão começa a
fundir-se e o equipamento registra 1ddpm.
• Tf: temperatura de máxima fluidez, que é aquela onde o
equipamento registra a
máxima velocidade de giro do bastão.
• Ts: temperatura de resolidificação, que é aquela a qual cessa
o torque do movimento
de rotação (0ddpm), ou seja, toda massa fundida se transformou
em semi-coque.
• MF: fluidez máxima é a fluidez registrada no equipamento
quando se atingiu a
máxima velocidade de giro do bastão.
-
40
• ? T: range plástico ou intervalo de fluidez, que é definido
como a diferença entre a
temperatura de resolidificação e a temperatura de amolecimento
(Ts-Tr).
Figura 4.1.3.1 Vista frontal do plastômetro Gieseler R. B.
Automazione modelo PL2000
4.1.4. Caracterização Petrográfica
As caracterizações petrográficas foram realizadas conforme norma
ISO7404/2. O
procedimento é descrito simplificadamente como a seguir: a) a
amostra de carvão é moída até
que toda a amostra esteja abaixo de 1mm; b) uma amostra de cinco
gramas de carvão moído e
embebida em uma resina de poliéster utilizando um molde
cilíndrico de 2cm de altura por
2cm de diâmetro; c) depois de endurecido se corta
longitudinalmente o molde, com o
objetivo de assegurar que a superfície a analisar contenha todas
as informações dos macerais
sem efeito de segregação; d) finalmente o corpo de prova esta
pronto para o polimento.
4.1.5. Forno Piloto de Parede Móvel
-
41
Os ensaios de carbonização foram realizados em um forno de
parede móvel de 250kg de carga
marca Carbolite.
Este forno possui uma ampla câmara regulável entre 205 e 560mm,
de forma que é possível
variar o volume e o peso nominal da carga em função da largura
utilizada, enquanto as outras
dimensões são fixas. A largura utilizada nos ensaios de
carbonização foram de 469mm. As
dimensões do forno são: comprimento entre portas 935mm, altura
no ponto de nivelamento a
840mm e altura da abóbada a 1015mm.
Para cada ensaio de carbonização foram utilizados cerca de 300kg
de amostra. A temperatura
no momento do enfornamento é de 880°C. A partir daí o
aquecimento prossegue a taxa de
14°C/h até atingir a temperatura máxima de 1200°C entre 18 e 19h
após o enfornamento,
momento em que a temperatura do centro da carga atinge
aproximadamente 1000°C, como
mostrado na Figura 4.1.5.1.
Figura 4.1.5.1 Curvas características de um gráfico de controle
de um ensaio em forno piloto
de coqueificação de uma amostra de carvão ou misturas de
carvões.
-
42
A força exercida pela carga durante a coqueificação é registrada
pelo movimento da parede
móvel sobre um transdutor de pressão. Geralmente, não se
expressa como força, mas como
pressão média exercida sobre a parede do forno. O forno também
possui sistema para detectar
a alteração do nível de carga e registradores gráficos para
acompanhar a evolução da
temperatura, pressão e deslocamento da parede móvel. A Figura
4.1.5.2 mostra o esquema
simplificado do forno piloto.
Figura 4.1.5.2 Figura esquemática do forno piloto.
A Figura 4.1.5.3 mostra a vista lateral do forno onde foram
carbonizadas todas as amostras
de carvões individuais e misturas de carvões.
-
43
Figura 4.1.5.3 Vista lateral do forno piloto de
coqueificação.
4.1.6. Índice de Resistência Mecânica a Frio do Coque – Drum
Index (DI)
Para a realização este estudo foi construído e posto em operação
um equipamento para
determinação da resistência mecânica a frio de acordo com a
norma JIS-2151.
O tambor de DI (norma JIS), é feito em chapa de aço com
espessura entre 6 e 9mm, diâmetro
interno de 1500mm, largura de 1500mm cilíndrico com 6 aletas de
250mm de largura, e 9mm
de espessura, como mostrado na Figura 4.1.6.1. O tambor é
acionado por conjunto moto-
redutor de velocidade fixa, de forma a se obter 15 rpm e dispõe
de um contador de giros, que
desliga o equipamento ao serem concluídos os 150 giros, durante
10 minutos. O tambor de
DI fica enclausurado para abafamento de ruídos durante a
operação, como mostra a Figura
-
44
4.1.6.2.
Figura 4.1.6.1 Detalhes do tambor usado para determinação da
resistência mecânica a frio
(DI).
No tambor é carregado 10±0,2kg de coque de tamanho maior que
20mm e se submetem a
tratamento de 150 voltas a uma velocidade de giro e 15
revoluções por minuto. O índice
DI15015 é definido como o percentual em peso de coque com
tamanho maior que 15mm após
o tratamento mecânico sob estas condições.
-
45
Figura 4.1.6.2. Vista frontal do tambor para ensaio DI.
4.1.7. Índice de Reatividade do Coque - Coke Reactivity Index
(CRI)
Neste ensaio obtém-se o índice de reatividade CRI (Coke
Reactivity Index) e outro que reflete
a resistência mecânica do coque após reação CSR (Coke Strength
after Reaction). O
equipamento utilizado para determinação do CRI constitui-se de
um forno elétrico, quadro de
controle e computador, conforme mostrado na Figura 4.1.7.1.
Para a determinação do CSR precisa-se de um tambor de dimensões
definidas, conforme
mostrado na Figura 4.1.7.2, os testes fora realizados conforme
estabelecido na norma ASTM
D5341.
Para a determinação da reatividade ao CO2 (CRI) se utiliza uma
amostra de coque de 200±1g,
previamente secada a 150°C durante 2 horas, com tamanho entre 19
e 22,4mm. Antes de
-
46
iniciar o ensaio, passa-se uma corrente de N2 a vazão de 5l/min
durante 5 minutos no interior
do cadinho. Sem interromper o fluxo de N2 carrega-se o cadinho
com a amostra de coque.
Figura 4.1.7.1 Esquema simplificado do equipamento utilizado
para determinar a reatividade
do coque – CRI (ASTM D5341)
Após 25 minutos de aquecimento o coque alcança a temperatura de
pré-aquecimento entre
1110 e 1115°C, quando é feita a troca de fluxo de N2 por CO2
mantendo-se a vazão em 5
l/min. Após a troca de N2 por CO2 a temperatura na amostra é
mantida em 1100°C por duas
horas. Como a reação é endotérmica, poucos minutos após trocar o
fluxo de gases de N2 por
CO2 é percebida uma redução de temperatura na amostra entre 10 a
20°C, dependendo da
menor ou maior reatividade do coque amostrado. Esta é a razão
pela qual o ensaio começa a
uma temperatura de pré-aquecimento determinada. A Figura 4.1.7.3
mostra o gráfico de
controle de uma temperatura de uma das amostras analisadas.
-
47
Figura 4.1.7.2 Esquema simplificado do equipamento utilizado
para determinar a reatividade
do coque após reação (CSR).
O índice de reatividade CRI é definido como o percentual de
massa perdida durante o ensaio
por adição de CO2 nas condições estabelecidas.
Para determinação do CSR, a amostra de coque procedente do
ensaio de reatividade é
submetida a um tratamento mecânico em um tambor tipo “I” de aço
inoxidável com um
comprimento de interno de 700mm e diâmetro interno de 130mm. As
espessuras da tampa e
do fundo do tambor são de 10mm. O tambor gira mediante um motor
elétrico a uma
velocidade de 20rpm durante 30 minutos, realizando 600
revoluções. Após este número
determinado de revoluções, o coque é passado por uma peneira de
malha quadrada de
9,52mm. O CSR é definido como a quantidade de coque retida na
malha de 9,52mm (dado em
percentual peso).
-
48
Figura 4.1.7.3 Gráfico de controle de temperatura de uma amostra
de coque durante ensaio de
reatividad