VIABILIDADE TÉCNICA DE COMBUSTÃO EM LEITO FLUIDIZADO DE CARVÃO MINERAL RESIDUAL PROVENIENTE DE LAVADORES DE CARVÃO TIPO JIGUE

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1 VIABILIDADE TÉCNICA DE COMBUSTÃO EM LEITO FLUIDIZADO DE CARVÃO MINERAL RESIDUAL PROVENIENTE DE LAVADORES DE CARVÃO TIPO JIGUE Leandro Dalla Zen Cientec/Unisinos, Rua Washington Luiz 675, Porto Alegre,RS Unisinos, Av. Unisinos, 950, S. Leopoldo,RS Este trabalho apresenta os principais resultados obtidos em testes de combustão de carvão mineral, subproduto das operações de jigagem da CRM - Mina do Leão, Área São Vicente Norte -, efetuados em uma unidade de demonstração de geração termoelétrica (caldeira Multicomb CIENTEC/CGTEE) e em planta piloto do laboratório de combustão da CIENTEC. Demonstra a possibilidade de utilização desse resíduo, nas condições em que os mesmos são gerados, em pequenas ou médias centrais termoelétricas através do emprego da tecnologia de combustão em leito fluidizado, abrindo também a possibilidade de utilização das cinzas, cujas características (granulometria, teor de carbono e estrutura) são mantidas uniformes devido a homogeneidade térmica obtida no processo. PALAVRAS-CHAVE: carvão mineral, leito fluidizado, resíduos de lavadores de carvão, pequenas centrais térmicas. 1. INTRODUÇÃO A partir da necessidade de promover-se um aproveitamento adequado dos resíduos provenientes de lavadores de carvão mineral, mais especificamente de lavadores tipo jigle, esse trabalho avaliou em planta piloto e planta de demonstração a adequação técnica de combustão dos mesmos utilizando-se o processo de leito fluidizado borbulhante. No caso específico dos resíduos de carvão do processo de lavagem, não se tem no mercado um equipamento específico para utilização dos mesmos, sendo atualmente utilizados em alguns processos de combustão a grelhas, geralmente misturados a outros combustíveis. Os principais entraves a utilização adequada dos resíduos, com os atuais processos de combustão é o baixo rendimento obtido e a dificuldade de controle da combustão pois a granulometria de saída do lavador, aliado a umidade, não indica a utilização em grelhas ou em combustão pulverizada. 2. METODOLOGIA Para o desenvolvimento do trabalho, foram realizados testes em uma planta piloto (fornalha) com capacidade de 0,27 MWt e em uma planta de demonstração (caldeira multicombustível) com capacidade de 5 MWt e objetivaram verificar o comportamento dos resíduos no processo de combustão em leito fluidizado. Na planta piloto os testes visaram a retirada de dados fluidodinâmicos e de combustão. Na planta de demonstração foram realizados testes que visaram uma avaliação preliminar do comportamento do carvão na zona de combustão e no sistema de alimentação e dosagem de combustível.

2 2.1 Caracterização do carvão residual Foram determinadas as características específicas análise elementar, poder calorífico e ar necessário - com a finalidade de identificação de relações de mistura ar/combustível para temperaturas operacionais fixas. Embora a CRM Companhia Riograndense de Mineração - tenha fornecido três tipos de resíduos, por motivos de facilidade de obtenção e levando-se em consideração a menor relação entre teor de enxofre e poder calorífico foi utilizado o carvão residual (especificado como tipo 1)oriundo da Planta de Beneficiamento da Mina do Leão, Área São Vicente Norte. - circuito de finos (ciclones espessadores e espirais). Este carvão é obtido como subproduto das operações de jigagem. O carvão ROM, após britagem, é peneirado a úmido: a fração menor que 2mm é desviada para o circuito de finos, enquanto que a fração maior que 2mm é dirigida ao jigue. O circuito de finos da planta de beneficiamento é alimentado pela polpa formada pelo carvão fino + água do processo de jigagem. Do processo de jigagem resultam, atualmente, os carvões granulados caracterizados abaixo: -CE4200 (até 42% cz); tipo CE5200 (até 30% cz) e rejeitos. Do circuito de finos são obtidas três frações conforme tabela I abaixo: TABELA I: CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DOS RESÍDUOS DO CIRCUITO DE FINOS Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 PCS BS (kcal/kg) nd Cinzas < 30 % < 45 % > 70 % H2O 22% 23% 25% A análise do carvão utilizado nos testes pode ser observada abaixo: - teor de umidade total (Ut): 22,00% - teor de cinzas (Cz): 28,00% - massa específica: 1080 kg/m 3 - teor de matéria volátil (MV): 26,00% - teor de enxofre total (St): < 1% - poder calorífico superior (PCS BS ): 5200 Kcal/kg - análise granulométrica: -retido em 3,0 mm: 0,00% - retido em 1,0 mm: 35,00% - retido em 0,5 mm: 50% - passante em 0,25%: 15% O carvão acima é característico do tipo 1, proveniente da corrente de finos resultantes da jigagem.

3 2.2 Parâmetros fluidodinâmicos e granulometrias utilizadas Na planta piloto foram realizadas atividades que objetivaram a determinação de parâmetros fluidodinâmicos e de combustão que servissem como base para projetos de câmaras de combustão aplicada a geradores de vapor. Entre os parâmetros fluidodinâmicos, o principal foi a velocidade de fluidização a frio do leito suporte, que, no caso formado inicialmente com areia e posteriormente pelas cinzas do próprio carvão mineral. Essa velocidade é utilizada para o dimensionamento do ventilador de insuflamento, principalmente na partida do sistema. Vmf areia = 0,8 m/s A velocidade média do ar de fluidização V MOP nas operações com os dois combustíveis, tanto com areia ou com cinzas de carvão mineral, e base para a determinação da área do leito foi fixada como sendo: V MOP = 2,5 m/s As velocidades operacionais características de fluidização mantiveram-se como abaixo: V MIN = 1,3 m/s V MAX= 4,7 m/s basicamente as mesmas determinadas para outros tipos de carvões. Essas velocidades definem a faixa operacional (mínima e máxima capacidade de geração de calor por área suporte) e visaram verificar a compatibilidade fluidodinâmica entre o combustível e a areia a ser utilizada como leito suporte. As granulometrias utilizadas seguiram orientações determinadas em testes anteriores de combustão mista de diversas misturas biomassa/carvão mineral utilizando o processo de leito fluidizado clássico. Tais granulometrias apresentaram compatibilidade fluidodinâmica e devem ser utilizadas como parâmetros básicos em projetos de fornalhas e geradores de vapor. Para os testes foram utilizadas as granulometrias abaixo indicadas: -carvão mineral: entre 0,01 mm e 3 mm -areia: entre 0,5 mm e 1,5mm Na realidade, como explanado anteriormente, a granulometria não foi alterada, sendo a mesma tal qual como recebida. 2.3 Operação em planta de demonstração Os testes em planta de demonstração foram efetuados em uma caldeira multicombustível pertencente a CIENTEC e instalada na UTE S. Jerônimo, em paralelo com as caldeiras atualmente em operação na referida unidade. A seguir as características da caldeira de demonstração.

4 - pressão de operação: 42 kgf/cm 2 (21 kgf/cm 2 ) (1) - produção máxima de vapor: 9000 kg/h - temperatura do vapor superaquecido: 390 O C (pressão 21 kgf/cm 2 ) - consumo máximo de carvão mineral: ~1100 kg/h - tipo: aquatubular - processo de combustão em leito fluidizado borbulhante - potência elétrica: até 1,5 MW - sistema de dessulfuração a seco com adição de calcário - sistema de abatimento de particulados: multiciclone e filtro de mangas - operação automatizada Os testes de combustão efetuados fizeram parte da primeira fase do programa de testes da caldeira, tendo sido inclusive a primeira operação com carvão mineral. O balanço de massa registrado na operação inicial mantendo-se condições estáveis de combustão é apresentado a seguir. Tabela III- Dados básicos para balanço de massa e energia Consumo de Carvão 850 kg/h Massa Total de Gases Úmidos 8848 kg/h Massa Total de Gases Secos 8582 kg/h Volume Total Gases Úmidos 6551 Nm3/h Volume Total Gases Secos 6053 Nm3/h O carvão foi testado como recebido, sem nenhuma preparação adicional, e serviu para definição de parâmetros operacionais básicos. 2.4 Análise elementar, parâmetros básicos e poder calorífico A análise elementar bem como os dados parâmetros básicos relacionados a relação ar/combustível são apresentados a seguir, tabela II. Tabela II Análise elementar em bases seca e úmida % BS % BU Carbono 48,00 37,44 Enxofre 0,80 0,62 Oxigênio 17,20 13,42 Nitrogênio 0,00 0,00 Hidrogênio 6,00 4,68 Cinzas 28,00 21,84 Umidade 22,00 22,00 Total 100,00 100,00 MARso 5,38 kg/kgcomb x ar 0,01 kg/kgars EXC 0 MARumo 5,43 kg/kgcomb -fonte: CIENTEC

5 A partir dos dados da tabela anterior o poder calorífico em base úmida. foi o abaixo especificado. PCI bu = 3700 kcal/kg 2.4 Carbono residual nas cinzas Os teores de carbono residuais nas cinzas foram os abaixo indicados: - planta piloto: média ~1,2 % - planta de demonstração: valor mínimo: 1,9%; valor máximo: 3,2% 3. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos em relação aos parâmetros fluidodinâmicos e de combustão, utilização de resíduos de carvão mineral resultantes do processo de jigagem foi avaliada como tecnicamente adequada para utilização em geradores de vapor que utilizem a tecnologia de combustão em leito fluidizado borbulhante. Os resultados, relativos a transformação energética, baseados nos teores de carbono residuais nas cinzas indicam uma alta eficiência de transformação energética, fornecendo um valor médio de 98 % para a caldeira e 99% para a planta piloto. O menor valor obtido na caldeira é proveniente do fato de que o teste efetuado na mesma para posta em marcha visando definição de parâmetros de controle instrumental para automatização da operação da mesma. O elevado teor de umidade presente nos resíduos, embora prejudicial para combustão em grelhas e pulverizada, é benéfica para o processo de combustão em leito fluidizado borbulhante ao implica em uma utilização de uma menor quantidade de ar em excesso para manter a temperatura de operação (entre 850º C e 900º C), induzindo a um menor consumo de energia no ventilador de insuflamento.