COMPARAÇÃO DA ESTRUTURA E REATIVIDADE DE CHARS OBTIDOS EM FORNO DTF E SIMULADOR DA ZONA DE COMBUSTÃO DO ALTO-FORNO

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1 COMPARAÇÃO DA ESTRUTURA E REATIVIDADE DE CHARS OBTIDOS EM FORNO DTF E SIMULADOR DA ZONA DE COMBUSTÃO DO ALTO-FORNO André da S. Machado, Juliana G. Pohlmann Antônio C. F. Vilela & Eduardo Osório

2 Sumário Introdução Objetivo Parte experimental Resultados e discussão Conclusões Agradecimentos

3 Introdução PCI apresenta vantagens econômicas e ambientais: Reduz o consume de coque nos AFs; Aumenta a produtividade. Taxas praticadas: kg/tgusa. Problemas associados ao PCI: Em altas taxas de PCI, grande quantidade de char pode acumular-se no AF, levando à deterioração da permeabilidade da carga e a uma operação instável; Maior geração de finos de coque.

4 Introdução Condições da combustão do carvão pulverizado injetado no AF: Temperatura ~ 2000 C; Taxa de aquecimento ~ 10 5 a 10 6 C/s; Pressão ~ 450 kpa; Tempo de residência ~ ms Processo de combustão do carvão pulverizado: Aquecimento pirólise ignição e combustão dos voláteis combustão parcial do char residual por O 2 gaseificação do char residual Equipamentos para avaliar carvões e chars com relação à combustibilidade e reatividade no AF: DTF, simuladores e termobalança.

5 Objetivo Comparar chars produzidos em DTF e simulador da zona de combustão. Técnicas utilizadas para esta comparação: Análise da estrutura dos chars DRX; Avaliação da reatividade ao CO 2 termobalança.

6 Parte experimental - Composição química e análise petrográfica Análise imediata (%bs Análise elementar (%bsic) Análise petrográfica (% vol imm ) Análises CA CB CP Cinzas 9,5 9,8 0,1 Matéria Volátil 26,4 15,9 11,7 Carbono fixo 64,0 74,3 88,2 Carbono 83,4 87,2 91,3 Hidrogênio 4,3 3,8 3,9 Nitrogênio 2,0 1,9 1,2 Enxofre (total) 0,7 0,7 0,9 Oxigênio 10,6 5,6 2,7 Vitrinita 61,8 69,3 Liptinita 2,8 Inertinita 35,4 30,7 Poder refletor da vitrinita (%) 1,02 1,56 Os carvões apresentaram composição química e maceral semelhantes; O teor de cinzas está no limite aceitável no AF; O CP apresenta um teor baixíssimo de cinzas (0,1%), misturas para injeção; CA e CB são carvões de médio e alto rank, respectivamente.

7 Parte experimental Preparação do char Equipamentos utilizados na geração do char DTF Simulador da zona de combustão

8 Parte experimental Preparação do char Sumário das condições experimentais adotadas Reatores Simulador DTF Amostras Carvões e CP Carvões e CP Temperatura do gás, C T1 = 1000 T2 = Fluxo de gás (DTF), L/h Volume (simulador), ml 1200 Composição do gás 100%N 2 2,5%O 2 + N 2 Taxa de injeção do carvão (DTF), g/min Massa (Simulador), g 0,050 0,275 1 Tamanho de partícula, m (80%) < < d < 75 Pressão, atm 3,5 1 Tempo de residência, ms <50* ~200

9 Reduced Intensity, I Parte experimental Parâmetros estruturais do carbono por DRX 2.5 d 002 L002 (002) L c 2 (002) (11) L a L (10) Intensity Contributed by Amorphous Carbon s=2sin Fração de Carbono Amorfo Intensidade do background Tamanho de cristalito L c,a = K / (Bcos) Aromaticidade f a = A 002 / (A A y ) Perfil de intensidades de DRX para uma amostra de carvão desmineralizada e respectivos parâmetros estruturais obtidos por DRX (Sahajwalla et al., 2003)

10 Parte experimental Medidas de reatividade dos chars em termobalança Termobalança Netzcsh 409 PC Conversão ( m0 m) X 100 ( m m ) 0 Taxa de Reação 1 dm R m dt 0 c Amostras Temperatura do gás ( C) Fluxo de gás, (ml/min) Composição do gás Massa (mg) Parâmetros dos ensaios Tamanho de partícula (m) Pressão (atm) Chars 1 a Etapa: T A a Etapa a Etapa: N 2 2 a Etapa: CO 2 30 < 75 1

11 Unidades atômicas Resultados e discussão DRX Parâmetros estruturais A estrutura cristalina do carbono no carvão 6 CA CB [Cu K1] Parâmetros estruturais CA CB Intensidade reduzida, I 4 2 L 002 (Å) 11,1 13,2 rank L c f a C a Ângulo de difração (2) Comparação da intensidade reduzida da figura de DRX dos carvões CA e CB, e perfis do pico (002) do carbono

12 Resultados e discussão DRX Parâmetros estruturais Unidades atômicas A estrutura cristalina do carbono no char 6 ChA ChB [Cu K1] ChA2.5 ChB2.5 [Cu K1] L 002 (Å) A B Intensidade reduzida, I 4 2 Simulador DTF Ch 11,5 13,6 Ch2.5 13,0 15,2 L c f a C a Rank Ângulo de difração (2) Ângulo de difração (2) Comparação da intensidade reduzida (I) das figuras de DRX dos chars ChA e ChB obtidos em simulador e DTF

13 Resultados e discussão DRX Parâmetros estruturais A estrutura cristalina do carbono nos carvões e chars 6 CB ChB ChB2.5 [Cu K1] Simulador Unidades atômicas CA ChA ChA2.5 [Cu K1] Simulador L 002 (Å) C Ch Ch2.5 Intensidade reduzida, I 4 2 DTF DTF A 11,1 11,5 13,0 B 13,2 13,6 15,2 L c f a C a Ângulo de difração (2) Ângulo de difração (2) Comparação da intensidade reduzida (I) das figuras de DRX dos carvões e respectivos chars obtidos em simulador e DTF

14 Unidades atômicas Resultados e discussão DRX Parâmetros estruturais A estrutura cristalina do carbono nos chars do CP Intensidade reduzida, I ChCP ChCP2.5 [Cu K1] Parâmetros estruturais ChCP ChCP2.5 L 002 (Å) 15,6 16,1 L c f a C a Ângulo de difração (2) Comparação da intensidade reduzida (I) das figuras de DRX dos chars do CP

15 Resultados e discussão Termobalança Reatividade ao CO 2 dos chars Reatividade ao CO 2 dos chars: Simulador x DTF Reatividade S DTF ChA ChB CP L c Curvas de reatividade ao CO2 em função do tempo para os chars dos carvões e CP obtidos em diferentes equipamentos

16 Resultados e discussão Termobalança Reatividade ao CO 2 dos chars Reatividade ao CO 2 dos chars CHARS Reatividade A B CP DTF S L c Curvas de reatividade dos chars obtidos em forno DTF e em SIMULADOR L c chars DTF > Simulador. Reduziu as diferenças estruturais devido ao rank; Reduziu as diferenças de reatividade observadas entre os chars dos carvões de diferentes ranks.

17 Resultados e discussão Parâmetros estruturais e Reatividade A estrutura cristalina do carbono nos chars por DTF e Simulador e sua influência na reatividade SIMULADOR Gera chars mais representativas dos chars gerados no AF(?); Realiza ensaios em condições mais próximas às encontradas no AF: Temperatura e pressão maiores; Tempo de residencia (*AF) Decomposição térmica (N 2 ). DTF Gerou chars com uma estrutura mais organizada (L c ) e menor reatividade: Efeito do teor de oxigênio (2,5%) - Grafitização oxidativa; Efeito do tempo de residência (t r ~ 4 x).

18 Conclusões A DRX apresentou-se como técnica adequada para distinguir os materiais carbonosos quanto ao grau de organização cristalina (L 002 ), f a e C a ; Observou-se uma maior organização cristalina nas amostras de char em relação aos carvões de origem. Dentre os chars, os do CP apresentaram maior valor de L 002 seguido dos chars do carvão de maior rank; Todas as amostras de char obtidas por DTF apresentaram uma maior organização cristalina em relação às obtidas no Simulador; As diferenças de rank entre os carvões e chars foram observadas tanto na estrutura da matéria carbonosa quanto na reatividade dos materiais. O carvão de mais baixo rank apresentou estrutura menos cristalina e maior reatividade;

19 Conclusões Devido à maior cristalinidade dos chars obtidos no DTF, a reatividade deles foi menor, e tendeu a equiparar-se para os carvões apesar da diferença de rank. A maior cristalinidade e menor reatividade dos chars do DTF se deve provavelmente ao efeito oxidativo da atmosfera deste equipamento, o qual provavelmente ultrapassou até mesmo os efeitos de tempo de residência e de thermal annealing que a maior temperatura do simulador causaria.

20 Agradecimentos À Rede Carvão Ao CNPq pelo suporte financeiro À Usiminas pelas amostras de carvão e CP e respectivos chars do Simulador Ao INCAR pelas amostras do DTF

21 Agradecimentos Muito obrigado!