Produção de carvão vegetal

Transcrição

1 Produção de carvão vegetal Medas ou caieira Sistema primitivo Pilha de lenha (40-50m 3 ) arrumada na forma circular (balão) A pilha é coberta com uma camada de folhas e capim, depois coloca-se uma camada de terra FAO, 2007

2 Fornos para produção de carvão vegetal Forno de alvenaria Não há controle de temperatura Não há recuperação dos produtos voláteis Baixo rendimento: energético 50% gravimétrico 30% Mais comuns: encosta, rabo-quente, superfície

3 Fornos de alvenaria Forno de encosta Forno rabo-quente Forno colméia Forno retangular (Tipo Missouri)

4 Forno retangular (FR) Estrutura em concreto armado e paredes de alvenaria com revestimento em argamassa Duas portas de concreto armado e cinasita Capacidade média 230 m 3 de madeira Produção média 192 m 3 carvão Ciclo médio 12 dias Arcelor Mittal

5 Forno metálico (forno container) Consiste em um container metálico cilíndrico, com capacidade para cerca de três metros cúbicos de lenha, um poço de alvenaria com câmara de combustão na base e um sistema de eliminação de poluição. O manuseio do container é feito por um sistema de trilhos e roldanas.

6 Rima Industrial S/A

7 Forno DPC O processo DPC consiste de pelo menos três reatores: Reator de secagem (Drying) Reator de carbonização (Pyrolisis) Reator de resfriamento (Cooling) Os gases coletados na parte intermediária são queimados numa câmara de combustão e o calor é conduzido para a zona de secagem.

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9 Gases emitidos na pirólise (reator 2), são queimados em uma câmara de combustão, gerando calor para a secagem da madeira (reator 1). No reator 3 acontece o resfriamento do carvão, que fornece calor para o reator onde se processa a secagem. Terminado o resfriamento, o reator 3 é descarregado, e em seguida é alimentado com lenha verde. O reator 3 passa então a funcionar como reator de secagem. No reator 1, com a madeira já seca mudam os gases emitidos, este então passa a funcionar como reator de pirólise. E, o reator 2 passa a funcionar como reator de resfriamento. Obs. Para garantir a regularidade de suprimento de gás combustível à câmara de combustão, uma instalação industrial consiste no mínimo de cinco reatores.

10 Combustão de gases Forno Batch Combustão parcial Forno 16 m 3 Ciclo 5 a 24 horas Material enfornado madeira cortada ou resíduo Capacidade t/ano Câmara de combustão de gases Controle do processo é feito por peso Carga de madeira Controle do ar

11 Sistema Lambiotte Também conhecido como Sistema SIFIC (Société Industrielle Financière pour I Industrie Chimique) França, Austrália, Bélgica, Espanha, República Tcheca Totalmente automatizado e de grande produtividade O equipamento principal é constituído pelo forno (retorta de chapa metálica cilíndrica) 3m diâmetro, 20-22m altura Secador (cilindro vertical) 6m diâmetro, 18 m altura Carregamento pelo topo, descarregamento na base

12 Aquecimento passagem de gases não condensáveis queimados, recuperados no processo O processo é contínuo e permite recuperar, além do carvão, sub-produtos como: ácido acético, acetona, metanol e alcatrões Produção diária (França) Secador (madeira com 40% de umidade) - 180t Carbonizador (forno) - 47t

13 Forno vertical contínuo e automatizado Gás quente (energia inicial) Material madeira cortada ou resíduo Capacidade t/ano Câmara de combustão de gases Controle do processo por temperatura Utilizam gases para secagem Utilizam gases para produção de eletricidade

14 Evolução dos processos de carbonização de madeira Napoli, 2009

15 Carvão Produto sólido obtido da carbonização da madeira. De acordo com as técnicas para sua obtenção e o uso para o qual ele é destinado, pode-se obter carvões com características distintas. Os principais tipos de carvão são: Carvão doméstico Carvão metalúrgico Carvão para gasogênio Carvão ativado Carvão para indústria química Carvão para indústria de cimento

16 Carvão doméstico composição química pouca importância deve ser facilmente inflamável e emitir o mínimo de fumaça pode ser obtido em temperaturas mais baixas ( 400 C) Carvão para indústria de cimento usado na etapa de clinquerização carvão pulverizado e com boa inflamabilidade (carvão moído, de modo a permitir a sua injeção e ignição no interior do forno)

17 Carvão para indústria química as exigências variam segundo o uso do carvão boa pureza e boa reatividade química alcatrão, produtos fenólicos, metanol, acetonas Carvão ativado descolorante de produtos alimentícios, purificação de água e de solventes, desodorização de ar, indústria farmacêutica deve ser leve e ter alta porosidade e grande área superficial a produção envolve duas etapas: carbonização e ativação (consiste em aumentar o tamanho dos poros)

18 Carvão para gasogênio Usado para gerar força motriz (o motor funciona com os gases (nitrogênio, hidrogênio, monóxido de carbono, metano) obtidos pela queima do carvão. Deve ser pouco friável densidade abaixo de 0,3 e teor de carbono de pelo menos 75%

19 Carvão metalúrgico Usado na redução de minérios de ferro em alto-forno, fundição, etc. A carbonização deve ser feita em temperatura alta (no mínimo 650 C) Deve ser denso, pouco friável, boa resistência Deve ter baixa concentração de materiais voláteis e cinzas Deve ter pelo menos 80% de carbono fixo

20 No alto-forno o carvão tem duas funções principais: Fornecer calor para a combustão Fornecer carbono para a redução do óxido de ferro

21 Minério de ferro Óxidos de ferro Magnetita Fe 3 O 4 Hematita Fe 2 O 3 C + O 2 CO 2 Grande quantidade de calor CO 2 + C 2CO (Reação de Boudouard) CO originado é o agente redutor

22 Reações de redução do minério de ferro Hematita = 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Magnetita = Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 Ou Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO 3Fe + C Fe 3 C Ferro gusa 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2

23 Características do carvão para metalurgia Granulometria - fator básico para a permeabilidade da carga dentro do alto-forno. O calibre médio do carvão deve ser o triplo do minério para permitir a máxima vazão dos gases Densidade - diretamente relacionada com a produtividade do altoforno Carvão mais denso implica em maior tempo de residência da carga metálica no interior do forno

24 Resistência mecânica - níveis de resistência mecânica tem implicação direta sobre a granulometria. Carvões menos resistentes quebram-se com mais facilidade reduzindo a granulometria e geram finos levando a problemas de permeabilidade da carga Friabilidade - susceptibilidade do carvão em formar finos quando submetido à abrasão e choques mecânicos Altos teores de umidade provocam altas velocidades de expansão de gases durante a carbonização, o que provoca ruptura na estrutura do carvão, aumentando sua friabilidade. O carvão para alto-forno deve ser pouco friável

25 Umidade quanto maior o teor de umidade, mais calor será necessário para evaporar a água (aumento do consumo de carvão, necessidade de elevação da temperatura no alto-forno para compensar a energia perdida na evaporação Composição química diretamente ligada ao balanço de energia durante o processo Carbono fixo quantidade de carbono presente no carvão. Maior teor de carbono fixo, aumenta a produtividade do alto-forno Materiais voláteis podem acarretar mudanças na porosidade e na resistência mecânica do carvão. Também participam das reações no alto-forno Cinzas resíduo mineral presente no carvão. Deve ser a menor possível

26 Reatividade é uma medida relativa da capacidade de um carvão em reagir com o CO2, resultando em CO. O CO resultante constitui-se no mais importante agente de redução do minério de ferro A reação é regida pela temperatura. Desta forma, considera-se que sejam menos reativos os carvões que exijam temperaturas mais elevadas para iniciar a reação. Quanto menor a reatividade, melhor é a qualidade do carvão em termos de uso em alto-forno.

27 Controle de qualidade do carvão vegetal Ensaios físicos, determinação de massa específica e densidade - NBR06922 Amostragem e preparação da amostra - NBR06923 Existem métodos internacionais de amostragem que devem ser seguidos, conforme se apresenta o lote de carvão a ser analisado (em gaiolas, sacarias, silos, etc) - ISO

28 Friabilidade ( resistência à abrasão e queda) Desde a produção até a entrada no alto-forno transformado em finos abaixo de 10 mm cerca de 25% do peso é Testes de tamboramento de carvão (500g carvão, 500 rotações a 30 rpm) Amostras de carvão são colocadas em um tambor que é submetido a um número determinado de rotações (velocidade de rotação pré-fixada). Mede-se a friabilidade através de análises granulométricas feitas antes e depois do teste Classificação Abaixo de 20 mm Muito friável 30% Bastante friável 25-29% Friabilidade média 15-24% Pouco friável 10-14% Muito pouco friável < 10%

29 Densidade Densidade granel - uma caixa com volume de 1m 3 é preenchida com carvão e pesada (kg/m 3 ) Densidade relativa - peso de um dado volume de carvão dividido pelo peso de um igual volume de água Densidade aparente - desconsidera-se o volume dos espaços vazios entre os pedaços de carvão Densidade verdadeira - medida da densidade da substância que compõe o carvão. Na determinação do volume, desconsidera-se, também o volume dos poros

30 Resistência à compressão Corpos de prova são submetidos a aplicação de uma força Determina-se a tensão de ruptura

31 Composição química do carvão Pode ser determinada através de pelo menos dois métodos Análise química elementar Análise química imediata Análise química elementar determinação de carbono, oxigênio e hidrogênio contidos no carvão. Análise química imediata determinação dos teores de material volátil, carbono fixo e cinzas

32 Poder calorífico Número de calorias liberadas na combustão completa de uma unidade de massa de combustível Pode ser determinado: teoricamente carvão experimentalmente através da composição química elementar do em uma bomba calorimétrica

33 Reatividade C + CO 2 2 CO Ensaio isotérmico Amostra de carvão é aquecida na presença de um fluxo de gás inerte até a temperatura desejada. Quando a temperatura estabiliza, faz-se a injeção do gás reagente e registra-se a perda de peso da amostra sólida, ou a variação na composição dos gases de saída do forno, durante um determinado tempo de reação pré-fixada ou até atingir uma determinada perda de peso da amostra. A temperatura do forno é mantida constante enquanto ocorre a reação.

34 Medidas, rendimentos e conversões MDC = metro cúbico de carvão (quantidade de carvão contida numa caixa de 1m 3 ) Peso de 1 mdc varia densidade granulometria umidade Densidade granel (bulk density) é o peso de 1 mdc seco em uma dada granulometria Valor médio, em peso de 1mdc de eucalipto = 250 kg (umidade < 5%) Porosidade normalmente entre 70-80%

35 Conversão de madeira em carvão (forno de alvenaria) 30% RCF (rendimento de carbono fixo) - porcentagem de carbono fixado no carvão em relação à quantidade de madeira seca que lhe deu origem RCF = Peso de carbono Peso de madeira seca TCF (teor de carbono fixo) - quantidade de carbono presente no carvão TCF = Peso de carbono Peso de carvão seco Peso de carbono = P carvão seco (P voláteis + P cinzas )

36 RG (rendimento gravimétrico) RG = Peso do carvão Peso da madeira Em relação à madeira úmida (Rg u ): Rg u = peso do carvão desenfornado peso da madeira enfornada Em relação à madeira seca (RG s ) RG s = Peso carvão seco Peso madeira seca