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Produção de Briquetes do tipo CBBs (carbon compressed
cold bonded briquettes) a base de Carvão Vegetal Siderúrgico
aglomerados com resíduo da fabricação de aço
Amanda Guilherme Amaral Engenheira de Agronegócios Formada pela UFF/VR André Luís de Brito Baptísta Técnico Industrial Metalúrgico Graduado em Administração de Empresas com Ênfase em Gestão de Ciência e Tecnologia Pós-Graduado MBA em Gestão de Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação Mestre em Materiais (Processamento e Reciclagem) Laboratório de Metalurgia Extrativa (LAMEX) – EEIMVR/UFF - VR Isabela Santana de Oliveira Engenheira Mecânica formada pela EEIMVR/UFF-VR Mestre em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Doutoranda em Engenharia de Materiais pela EEL-USP Laboratório de Mecânica Aplicada – EEIMVR/UFF – VR Nathália Batista Lopes Matias Técnica em Química Graduada em Química Bacharelado pelo ICEx/UFF - VR Pós-graduanda em Formação Pedagógica para Graduandos não Licenciados em Química – Cruzeiro do Sul Mestranda em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Laboratório de Eletroquímica, Polímeros e Cerâmicos – EEIMVR/UFF – VR Resumo
Palavras-Chaves: Resíduos, Briquetes, Biomassa, Metalurgia, Escória
Com o crescimento populacional e industrial temos a necessidade de melhor utilizar os resíduos.Os resíduos e os finos da indústria metalúrgica podem originar energia sustentáveis que agridem menos o meio ambiente. Com isso utilizamos a biomassa carbonizada com destaque para o carvão vegetal, que gera enorme quantidade de finos em seu ciclo produtivo. Para tanto definiu-se que o objetivo principal deste trabalho é avaliar através do ensaio mecânico de compressão diametral de briquetes cilíndricos de biomassa carbonizada, o uso de escória de aciaria a oxigênio (resíduo), como aglomerante de pega a úmido de secagem natural. E também testar a adição de amido de milho seco direto na mistura, sem a diluição prévia em água. Concluiu-se que pode-se empregar o amido seco direto na mistura e a escória de aciaria LD substitui a bentonita como aglomerante em briquetes de biomassa carbonizada, apresentando uma resistência a fratura maior.
1 – INTRODUÇÃO
Há séculos, nas cavernas, o homem primitivo, ao descobrir que a queima da madeira com aspecto preto e friável produzia menor quantidade de chama e fumaça e gerava maior quantidade de calor que a queima direta da madeira, deu início à produção do carvão vegetal. [1] A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas através de pressão, com ou sem aglutinantes, permitindo obtenção de produtos compactados, com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. A recente preocupação ambiental, resultando em leis mais rígidas, além da necessidade de aproveitar economicamente resíduos e partículas finas geradas no beneficiamento de minérios, na siderurgia e na agroindústria, fez com que a briquetagem voltasse a ser uma importante alternativa para aglomerar valor econômico e energético [2] O briquete é uma alternativa mais energética e mais ecológica, pois, o briquete tem o poder de ser um substituto eficaz do coque e do carvão vegetal, tanto em relação aos requisitos de resistência, ao poder calorífico quanto na relação custo/benefício. [3] A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas por meio de pressão, com auxílio ou não de um aglutinante, permitindo a obtenção de um produto não só compactado, porém, com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13] As partículas de carvão vegetal e coque são compostas por carbono, material sem um mecanismo de ligação adequado, quando compactado, para a produção de briquetes. Por isso,a maior dificuldade na produção de briquetes é justamente a busca de um aglutinante que promova as características necessárias que um briquete de boa qualidade deve possuir. Os aglutinantes funcionam como adesivo e contribuem para a interligação das partículas. Para amenizar essas características negativas das partículas de carvão vegetal,opta-se pela densificação energética. A densificação energética (briquetagem) é uma técnica resultante da aplicação de certa pressão, em uma mistura de partículas de material sólido com um aglutinante, dentro de moldes matrizes, com o objetivo de formar blocos compactos e com elevada resistência mecânica. A resistência à compressão é um parâmetro significativo na avaliação do briquete ao seu armazenamento. Com o intuito de avaliar a influência das forças aplicadas na etapa de densificação energética, a resistência dos briquetes à compressão é determinada para prever o comportamento mecânico dos briquetes quando submetido a uma determinada carga ou esforço, considerando sua posição de armazenamento. [14] Mais de 50 ligantes orgânicos e inorgânicos vêm sendo empregados na densificação energética, sendo os mais comuns no Brasil o amido de milho, a fécula de mandioca, resinas sintéticas, alcatrão vegetal, o melaço de cana-de-açúcar e a bentonita. A busca por novos aglutinantes vem se intensificando, principalmente para utilizar o mínimo possível deste material, desde que seja atendido aos requisitos necessários de um briquete de alta qualidade. [14] O aglutinante é um material que tem a função de unir as partículas a serem compactadas [4,5] A escolha do aglutinante a ser utilizado é em função do custo e do uso a ser dado ao briquete. Geralmente, os aglutinantes são bem mais caros que o componente principal, sendo necessário um balanço entre as quantidades destes componentes, a fim de se conseguir um produto economicamente viável. [15]
A biomassa é um recurso renovável utilizada como fonte de energia e tem a sua origem proveniente de matéria orgânica de origem animal ou vegetal [23] A biomassa vegetal é, na verdade, uma mistura complexa de materiais naturais, destacando-se a celulose, lignina, hemicelulose (polioses), e uma pequena quantidade de outras substâncias, tais como, extrativos (ceras, ácidos graxos, taninos) e cinzas resultantes de sais minerais. [24] Em geral, a celulose constitui a maior porção e representa cerca de 40% a 50% do material. As partes remanescentes são formadas, predominantemente, por lignina e uma quantidade menor de extrativos, além das cinzas [25] Resíduo é tudo aquilo que resta de um processo de exploração ou produção, de transformação ou utilização. Os resíduos que se originam do processamento da madeira, móveis usados, artigos de madeira, mourões, estacas, bagaço de cana, palha de arroz, galhos de árvores são resíduos lignocelulósicos que se apresentam em formas e granulometrias das mais variadas, apresentando de modo geral, baixa densidade e alto teor de umidade [5] Conforme Jenkins (1990) [24], os resíduos podem ser agrupados em três categorias principais:
- Resíduos agrícolas: gerados diretamente no campo durante a colheita da safra (por exemplo: a palha dos cereais);
- Resíduos florestais: (galhos, folhas, etc., gerados na exploração florestal);
- Resíduos agroindustriais: gerados no beneficiamento de grãos, gramíneas e madeira (casca de arroz, de café, de amendoim, de nozes, bagaço de cana-de-açúcar, serragem, etc). Dentre as vantagens na utilização de resíduos lignocelulósicos como fonte de energia estão a diminuição dos níveis de emissão de CO 2 e enxofre, melhor manejo da terra, controle de resíduos e reciclagem de nutrientes. [24] Os resíduos rurais provenientes da biomassa vegetal incluem todos os tipos de resíduos lignocelulósicos gerados pelas atividades produtivas nas zonas rurais, quer sejam resíduos agrícolas, agroindustriais e florestais [26] A utilização de resíduos vegetais (galhos, cascas de arroz e de café, bagaço, serragem, etc.) como combustível representa uma interessante alternativa aos combustíveis sólidos tradicionais (lenha e carvão). O modo mais fácil e simples de utilizar o poder calorífico destes materiais é a combustão direta. Entretanto, esta prática apresenta algumas desvantagens, como a existência de umidade, o grande volume que ocupa o material estocado, apodrecimento que sofre a matéria orgânica e a ocorrência de animais perigosos. [27]. A maioria dos resíduos agroflorestais contém elevada umidade. Portanto, entre 18 e 20% do calor gerado na combustão é consumido para secar a própria biomassa, perdendo assim grande parte de seu potencial energético. [27] O uso de resíduos de biomassa vegetal para fins energéticos já é uma realidade, entretanto, esses resíduos apresentam alta umidade, baixa densidade e grande volume, além de ficarem dispersos geograficamente, o que pode ocasionar graves problemas ambientais [28] Essas características dificultam as atividades de coleta e transporte do material e faz com que estes necessitem de grandes áreas para armazenamento. Estes são alguns dos motivos que fazem com que essa matéria prima seja subutilizada [28] O processo de compactação dos resíduos florestais diminui o volume do material, aumentando sua densidade além de proporcionar um formato geométrico definido, facilitando assim seu manuseio, armazenamento e transporte. [29]
O aproveitamento dos resíduos ou subprodutos é importante tanto para reduzir os impactos negativos no ambiente quanto para reduzir os custos de produção e aumentar as receitas. O aproveitamento mais racional de subproduto poderá favorecer ainda mais o balanço energético [30] 2.2 - Carvão Vegetal O carvão vegetal é produzido a partir da lenha pelo processo de carbonização ou pirólise, tendo como principal derivado o eucalipto. Ao contrário do que aconteceu nos países industrializados, o uso industrial do carvão vegetal no Brasil continua sendo largamente praticado [31]. O eucalipto é uma das melhores opções para a produção de carvão vegetal, devido à rusticidade, produtividade e às características da madeira. Os reflorestamentos de eucalipto, bem planejados e manejados, produzem árvores de tronco reto, bastante uniformes e madeira com massa específica adequada para a obtenção de carvão de boa qualidade [31, 32] O carvão vegetal tem como principal impacto ambiental o desmatamento e a fumaça como agente poluidor. A fumaça é rica em compostos químicos voláteis, alguns deles cancerígenos. Entre os poluentes, podem-se destacar o alcatrão, a acetona e o metano, um dos gases responsáveis pelo aquecimento global, e a geração de moinha que é um passivo ambiental [32]. A produção do carvão vegetal no Brasil responde por cerca de 1/3 da produção mundial. Destes, em sua quase totalidade, para uso siderúrgico, mas ainda se produz, em sua grande maioria, como há um século, sem as preocupações básicas com o meio-ambiente e com as condições de trabalho inadequadas [32]. As usinas tendem atualmente a utilizar o coque de carvão mineral, levando o carvão vegetal a ficar confinado ao mercado de produtores independentes de ferro-gusa, à produção de ferro-liga nas regiões onde existem ainda reservas de florestas plantadas ou de matas nativas exploráveis sob o regime de manejo e complementação da sucata nos fornos elétricos a arco [31] O carvão vegetal por ser um material muito friável, é rejeitado quando se apresenta numa granulometria inferior ao mínimo estabelecido para as operações de alto forno, ou seja, 12 mm. Os finos de carvão, denominação dada as partículas rejeitadas, normalmente são descartadas pelas empresas [33] O carvão vegetal, sendo um combustível sólido de baixa densidade e elevada friabilidade, gera grande quantidade de finos na produção durante o transporte e na estocagem. Além disso, pelas suas características, apresenta inconvenientes como, rápida combustão. O que inviabiliza a sua utilização direta na indústria. Um processo mais adequado para melhorar as características desses finos é a briquetagem. [34] Para a briquetagem de finos de carvão, a indústria recebe os finos de outros fornecedores ou faz o carvoejamento de cavacos de madeira em retorta contínua [35] A granulometria influi diretamente no consumo de ligantes e na resistência final. O grau de moagem considerado correto, é o que produz uma quantidade de pó suficiente para preencher os vazios entre as partículas maiores, evitando a desagregação na prensagem. O material, que sai do moinho, passa em uma peneira vibratória e os pedaços retidos são re-circulados [31].
2.4 - Briquetagem A briquetagem é um dos processos mais antigos de aglomeração e caracteriza-se pela aplicação de pressões externas com conseqüente redução de volume do material fino, obtendo um produto (briquete) com forma, dimensões e características variáveis e totalmente controladas, conforme a sua aplicação [36] Figura 1 – Fluxograma de produção industrial de briquetes de carvão vegetal A briquetagem é uma forma muito eficiente para concentrar a energia disponível na biomassa. Exemplifica-se este fato na consideração de que 1 m³ de briquetes contém pelo menos cinco vezes mais energia doque 1 m³ deresíduos(finos de carvão vegetal não briquetado), levando-se em consideração a densidade a granel e o poder calorífico superior destes materiais [34]. Pela briquetagem do carvão vegetal, ou seja, técnica que envolve homogeneização, aglomeração a densificação de partículas de material sólido, consegue-se um combustível com homogeneidade granulométrica, bem maior densidade a resistência à geração de finos. [37] O efeito de densificação proporcionado pela briquetagem produz um combustível com maior concentração energética por unidade de volume, que, aliado à resistência adquirida, viabiliza técnica e economicamente o transporte a distâncias maiores. Outra grande vantagem da briquetagem é a possibilidade de aproveitamento de resíduos ligno-celulósicos carbonizados em geral.[37] O briquete é influenciado por fatores como: granulometria do material, umidade, tipo e quantidade de ligante e variáveis de compactação (esforço, tempo, etc). O produto resultante deste processo é o briquete, que é uma matéria prima sintética, um mineral industrial, um composto [5] Para a briquetagem de finos de carvão, a indústria recebe os finos de outros fornecedores ou faz o carvoejamento de cavacos de madeira em retorta contínua. Um moinho de martelo é usado para promover uma distribuição granulométrica previamente determinada por testes de resistência com o briquete [31]
Dependendo do tipo de prensa briquetadora utilizada no processo, os briquetes podem apresentar densidade de 1000 kg/m³ a 1400 kg/m³, poder calorífico inferior de 4800 kcal/kg a 4900 kcal/kg, teores de material volátil de 81% a 85% e teor de cinzas de 1,0% a 1,2% [37] O processo de briquetagem ocorre por meio da aplicação de pressão em uma massa de matéria-prima por meio da ação de uma prensa mecânica, resultando em um sólido cilíndrico e compacto com elevada densidade e poder energético por unidade de volume [38] Existiu uma serie de fatores que impediu o desenvolvimento da briquetagem dos finos de carvão no país. Dentre eles pode-se citar: o consumo de carvão vegetal é quase que exclusivo na siderurgia e à falta de experiência em larga escala, bem como o desinteresse econômico do uso do carvão briquetado neste setor, o elevado custo das matérias-primas utilizadas como aglutinantes; o baixo preço pago pelo carvão vegetal a granel, e em conseqüência a falta de mercado interno para este produto. [38] 2.5 - Aglutinantes/Aglomerantes Os aglutinantes são substâncias indispensáveis para o processo de briquetagem do carvão tanto tecnicamente quanto economicamente. [13] Aglomerantes / Aglutinantes (incluindo a água) são elementos que tem a função de unir os grãos das matérias primas por meios físicos e químicos, visando conferir boas propriedades mecânicas, e são usados nos teores de 5 à 12% sobre a carga principal(carvão vegetal/ biomassa carbonizada) a ser briquetada [39] Aglomeração em metalurgia, é o termo usado para descrever processos cuja função é dar forma de esferas, briquetes, nódulos, flocos, ou dar outro tamanho de partículas, geralmente a partir de materiais finos, frouxos ou partículas incoerentes. [4, 5] Para que o briquete de finos de biomassa carbonizada, possua qualidade e economize-se aglutinante é necessário que as partículas de finos tenham uma distribuição granulométrica adequada. O aglutinante orgânico mais utilizado e o amido de milho. [13] No Brasil, apesar de haver alta disponibilidade de matéria-prima para a briquetagem, a fabricação de briquetes é pequena, por causa do baixo custo do carvão vegetal. [37] A qualidade do briquete varia de acordo com a finalidade de seu uso. Na siderurgia, o briquete é utilizado como termo redutor e por isto precisa ter resistência a altas temperaturas. No uso doméstico, a característica mais importante é a baixa toxidez e a resistência ao manuseio, fácil transporte e estocagem. [5] O amido industrial de milho é o aglutinante mais utilizado, sofrendo tratamento de ativação para não perder suas propriedades físico-químicas. A adição de amido no briquete é normalmente entre 5 e 12 % em massa [37] 2.6 - Escória de Aciaria LD Conforme definição contida na Norma ABNT NBR 5019, escória é um produto líquido ou pastoso, produzido durante operações pirometalúrgicas, que, em geral contem sílica, que se torna sólido à temperatura ambiente. [40] A escória de aciaria LD é gerada durante a produção do aço através do forno conversor de oxigênio tipo Linz-Donawitz, de onde se origina a sigla LD. De maneira geral, o conversor LD possui
Tabela 4 - Teores médios de materiais voláteis da cinzas e de carbono fixo, com base na analise química imediata dos carvões Tabela 5 - Valores médios observados a partir da análise dos principais componentes das cinzas dos carvões Tabela 6 - Valores médios das análise química elementar, dos teores de umidade e dos poderes caloríficos superiores dos carvões. Tabela 7 - Valores médios das densidades aparentes do granel (Kg mdc-^1 ), aparente (Kg mdc-^1 ), e verdadeira (Kg mdc-^1 ) As misturas (A- 10 % escória, 5% cal, 5% de amido, água 40%) e (B - 15 % escória, 7,5% cal, 5% de amido, água 40%) para a confecção dos briquetes cilíndricos foram executadas em misturador combinado mós e pás, com tempo fixo de 10 minutos. Os materiais eram misturados a seco primeiramente em seguida adicionava-se a água (em partes), deixando a mistura homogeneizar-se antes. A briquetagem foi feita a frio em prensa tipo macaco hidráulico de acionamento manual, com força de 6 ton e tempo de prensa fixo em 3 minutos. Os ensaios foram conduzidos de acordo com ABNT 12654 e ISO 17025. A seleção de materiais e amostragem foi de acordo com a ABNT 10007. Os corpos de prova foram confeccionados de acordo com a norma ABNT 7680, 5738 e 13729. O ensaio de compressão diametral foi executado de acordo com a norma ASTM C496 e ABNT 7222. A base foi em média de 500g de uma mistura de carvão vegetal (biomassa carbonizada), onde se adicionou, os aglomerante A e B. Avaliou-se a densidade aparente pela norma ABNT NBR 6922
A resistência mecânica foi avaliada através do ensaio de compressão diametral dos briquetes medindo-se a força de fratura. Foram executados 10 ensaios para cada mistura briquetada.
4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
O Gráfico 1, mostra o resultado do ensaio de compressão diametral das amostras. Gráfico 1 – Resistência a Compressão Diametral dos Briquetes de Finos de Carvão Vegetal Siderúrgico Os Gráficos 2 e 3 , mostram os valores dos itens de comparação do efeito dos dois aglomerantes na briquetagem de finos de carvão vegetal. Gráfico 2 – Valores dos Requisitos usados para Comparação de Aglomerantes Empregados na Produção dos Briquetes de Finos de Carvão Vegetal Siderúrgico (Mistura A - 10% Escória, 5% Cal, 5% Amido, 40% água)
biomassa antes da compactação. Sendo que menores partículas facilitam a união das mesmas, diminuído os espaços vazios entre as partículas proporcionando maior densidade relativa aparente. [47] O valor médio de resistência alcançado nos briquetes do presente estudo, como detalhado em trabalhos anteriores [5, 42, 43], pode ser fruto: (i) da compactação mecânica (prensagem); (ii) do fenômeno denominado poder de aglomeração a frio (p. a. f.); (iii) do fenômeno denominado sensibilidade a compactação; (vi) do efeito cimentício da escória; (v) do fenômeno efeito Filler; (vi) da distribuição granulométrica natural das matérias primas que eleva a compactabilidade; (vii) do teor ótimo de água de adição; (viii) da relação água/cal, (ix) da interação sinergística entre os materiais da mistura (regra das misturas clássica) e (x) da adição de materiais pozolânicos finamente moídos 5 – CONCLUSÃO
- A escória de aciaria LD pode ser utilizada como aglomerante de pega a úmido na briquetagem de finos de carvão vegetal siderúrgico.
- O aproveitamento destes finos, gerando um carvão chamado de sintético, compactado, prensado, industrializado, ecológico ou reciclado, possibilita a diminuição da utilização de material granular natural.
- O reaproveitamento de finos traz junto um apelo ambiental, social e econômico.
- Este produto pode ser utilizado em aquecimento doméstico e industrial, geração de energia, na metalurgia em aplicações que as solicitações mecânicas não sejam elevadas.
- Ele pode ser utilizado em panelas, carros-torpedo, fornos elétricos a arco e a indução e em fornos a cadinho e rotativos 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] PAULUCIO, F. F. - Qualidade do carvão vegetal de madeiras do cerrado em comparação ao Eucalyptus sp. Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília como parte das exigências para obtenção do título de Engenheiro Florestal. Brasília-DF, 19 de dezembro de 2012 [2] SILVA, A. M. - Estudo da utilização da biomassa em substituição parcial ao carvão mineral utilizado no processo de fabricação do ferro gusa em alto forno. Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, 2008. [3] FERNANDES, C. R. P. et al - A produção de briquete industrial: energia limpa e sustentável. VII CONNEPI – Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação. Ciência, Tecnologia e Inovação: Ações Sustentáveis para o Desenvolvimento Regional. 19 a 21 de Outubro de 2012 – Palmas – Tocantins. [4] BAPTÍSTA, A. L. B. – O Processo de Briquetagem. Caderno Técnico. Laboratório de Metalurgia Extrativa. Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda. Universidade Federal Fluminense. 2015 [5] BAPTÍSTA, A. L. B. - Desenvolvimento de um briquete auto-fundente, multiconstituido de rejeitos, resíduos e descartes recicláveis gerados na planta integrada de produção de aço, aplicado como componente da carga de fornos de redução de ferro. Dissertação de Mestrado em Materiais. Área de concentração de processamento e reciclagem de materiais, linha de pesquisa em materiais compósitos. Fundaçao Oswaldo Aranha ; Centro Universitário de Volta Redonda – UNIFOA ; Pro-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação ; Programa de Mestrado Profissional em Materiais – MEMAT , Três Poços, RJ – 2016
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