ESTUDOS DE BENEFICIAMENTO DE ULTRAFINOS DE

CARVAO DE SANTA CATARINA.

ELZIVIR A. GUERRA E JAIME A, SOLAR!

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 90.000 - PORTO ALEGRE, RS, BRASIL.

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~

Neste trabalho estudou-se o beneficiamento das !rações ultrafinaa de carvão de Santa Catarina, Braail,~por procaaaoa que usam quantidades variáveis de ó\eo. o carvão utilizado foi uma fração -37 um 127.2' cin­zas) a oa processos testados foram !lotação, !lotação aglomerante, aglo meração oleosa a floU.ção .com micro-bolhas ltlotaçi.o por ar di .. olvidcf: Os melhores resultados, em termos da recuperação e salatividada, foram obtidos através da aglomeração oleosa 1-10' cinzas), mas com alto consu mo de óleo . A notação também mostrou-se altame.nte competitiva em con :: traste com os outros doia processos analisados. Os raaultadoa foram dia cutidoa em termos da teoria básica e da aplicação prática de cada pro :: cesso.

ABSTRACT

The beneticiation of ultratine coal particles from Santa Catarina, Brazil, by processes which use variable amounts of oil was studied in thia work. The coal used waa a -37 ~m sample 127,2\ ash) and the~sea t .. sted were flotation, agglomerate flotation, oil agglomeration and flotation by micro-bubblea ldiaaolved air flotation). Beat resulta wera obtained by the oil agglomaration proceaa in terms of l&lectivity and recovery 1-10\ a1h) but at the expense of high oil con1umption. Flot~ was alao a highly competitiva proce11 as oppoaed to the othar two proce1nea analy1ad. The re1ul ta were discU11ad in tarm• of the basic theory and the practical application of each proces1.

lM6

INTROOUÇJ\0

Exiate hoje um interesse mundial no beneficiamento das !rações fi­nas de carvão devido ao aumento da produção destas, originadas pela cres cente mecanização doa métodos de lavra e o nivel do processamento reque= rido nas usinas de beneficiamento. E~ certos casos, a menor qualidade do carvão "r.o.m" que a indústria deve aproveitar torna necessãria uma redu ção de tamanho para liberar a matéria não combustivel contida no carvão: Por outro lado, as limitações ambienta~s, cada vez mais severas com res­peito à descarga dos efluentes de usinas de beneficiamento, colocam tam­bém o problema da recuperação e aproveitamento das frações finas do car­vão.

As particulas ultrafinas (-37 ~~) são também problemáticas do pon­to de vista do próprio processo de beneficiamento, pois elas não só difi cultam a operação doa equipamentos convencionais (jigues, ciclones de meio denso), corno também do próprio processo de flotação, o maia utiliza do para tratar a fração -0.5 + 0.074 rnrn. Entretanto, a produção de urnã série de combustiveis a~ternativos baseados em carvão torna necessária a corninuição e moagem deste, com a inevitável conseqOência da produção de particulas extremamente finas que deverão ser recuperadas por razões tan to econõ~ica quanto ambientais. -

No Brasil estes problemas são particularmente críticos devido à qualidade do carvão nacional, caracterizado pelo alto conteúdo e finadis seminação da matéria mineral na matriz oarbonosa. Eate fator implica que a obtenção de frações do baixo teor do cinzas, que são necessárias para alimentação de processos especiais e para produção de misturas combustí­veis baseadas em carvão, deverá ser precedida por etapas de redução de tamanho e de beneficiamento a tamanhos de partícula muito finos.

Em termos de beneficiamento de partículas ultrafinas de carvão a hidrofobicidade natural deste leva a considerar prioritariamente preces soe que envolvem o uso de óleos e reage~tes não polares, que se adsorvem seletivamente através de interações do tipo hidrofôbica com a matéria car bonosa no carvão . A figura 1 mostra vários processos que utilizam óleos em conjunto com um método de separação do material combustível. Adicio­nando Óleo a hidrofobicidade do carvão aumenta e as particulas dispersas deste podem ser removidas por bolhas de ar (!lotação). A maiores ~ de óleo e com um condicionamento intenso, as particulas formam flocos de tamanho maior que podem sedimentar ou serem removidos também por bolhas de ar (flotação aglomerante). A dosagens superiores, 15-25\ em peso de sólido seco, o carvão cresce formando aglomerados arredondados cuja re­sistência e tamanho faz possível sua separação numa peneira (aglomeração oleosa). Também, recentemente (1) tem sido proposto o uso de rnicro-bo lhas em combinação com a adição de óleos para otimizar o uso da recupera ção doa finos (flotação po~ ar dissolvido). -

Estes processos tém sido estudados internacionalmente tanto nos seus aspectos básicos como nas suas aplicações tecnológicas. Revisões re centes destes processos encontram-se nas referências (2) (3) (4). Já no ci so de carvão nacional oa estudos são mais escassos. Estudos básicos de flotação dos carvões do RiO Grande do Sul e Santa Catarina tem sido rea­lizados na OFRGS 15) e estudos pilotos de flotacão tem sido feitos no CETEM (6). Existe um estudo de flotação aglomerante do carvão de Leão rea lizado por Bergmann e colaboradores (7). No caso de aglomeração oleosa~ há estudos somente com o carvão de Santa Catarina (8) (9), po~s os carvões gaúchos não apresentam caracterisbicas aglomerantes devido ao seu baixo "rank". Por outro lado, estes autores estudaram a flotação por ar diesel vido de ultrafinos de carvão catarinense (10). Finalmente, há tarnbóm es= tudos de floculação selotiva de finos de carvão (11) (12), mas os reagen­tes pol~éricos apresentam muita baixa seletividade comparados com os óleos.

No entanto, não exiatem estudos comparativos destes processos que permitam identificar as potencialidades e desvantagens de cada um quando apLicados ao beneficiamento de um carvão nacional. O objetivo deste tra­balho é precisamente comparar o beneficiamento de ultrafinos de~por processos que envolvem a utilização de Óleos. "Foi escolhido um carvão de

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Flotação

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FlotaÇão Aglomerante

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Flotação por ar dissolvido Aglomeração oleosa

~Bolha de ar • Partícula de carvão

9 Agregado de partículas

o Micro-bolha lllliD Oleo

Figura 1. Processos de beneficiamento de ultrafinos de carvão ~ utilizãiii oieos. - - ---

santa Catarina devido ao seu maior potencial de aplioa'ção industrial e Oll processos comparados foram flotação, flotação aglomerante, aglomera -cão oleosa e flotação por ar dissolvido.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiais

o carvão usado foi uma amostra concentrado de mesa proveniente de Urussanga, se, (teor médio de cinzas 27,23\), conhecido como moinha meta lúrgica. Em todos os testes a fração granulométrica utilizada foi 99,0% menor que 37 um (400 malhas Tyler), obtida pela cominuição a úmido (pol­pa com 40\ de sólidos em peso) durante 60 minutos em moinho de porcelana com seixos. A polpa resultante da moagem foi usada logo após ser retira­da do moinho, evitando-se variações que o envelhecimento da amostra pode causar nas propriedades de superfície do carvão (13) .

Os reagentes utilizados (querose.ne e óleo combustível tipo "E" (CCE) da Petrobrás S.A., e Metil Isobutil Carbinol (MIBC) da Rhodia S.A.) fo­ram de pureza comercial, com exceção dos modificadores de pH (hidróxido de sódio e ácido clorídrico) que possuiam pureza analítica (p.a.). Agua monodestilada foi usada em todos os casos.

Métodos

Flotação. Estes testes foram feitos em escala de laporatório em re gime descontinuo com células de flotação Denver U-12 de 1000 m1 de capa= cidade. O querosene foi adici.onado de forma emulsificada em quantidades

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calculadas antecipadamente com base na ~assa de sólidos seca da alimen -tação, e condicionado durante 4 ~utos (agitação rápida). Foi adiciona­do MIBC sob agitação. Após 30 segundos de condicionamento do espumant~ a sus~nsão de carvão foi flotada durante 5 minutos a uma taxa de 4.600mL min.;.l, sendo recolhidos, sucessivamente, para determinaçã.o da cinética , os concentrados nos seguintes intervalos de tempo: 0-30, 30-60, 60-120 , 120-180 e 180-lOOs. os produtos (concentrados,reje1to) foram filtrados, secados a l00°C, pesados e determinado o teor de cinzas.

Flota~ão A~lomerante. A metodologia utilizada nestes testes foi si &ilar a da f otaçao convencional, apenas hav~ndo modificação na etapa de condicionamento, na qual a polpa de carvão (1000 m1) foi submeti da a uma agitação violenta durante 2 minutos com um misturador marca Arno (capaci dade de 1500 mt e dotado de 4 defletores+. -

Flotação ! ~ Dissolvido (~) . Os experimentos de FAD for~ rea­lizados em uma unidade de bancada ja descrita anterior~nte (16) •• Micro­bolhas são formadas mediante pressurização a . ,2 kg . cm- (pressão manomé t rica) d! água destilada no saturador, sob um fluxo de ar comprimido de 5 l.min- durante 10 min, seguido de injeção de 150 m! na célula de flo­tação. Previamente à introdução das microbolhas, a suspensão de carvão era condicionada sob agitação rápida por lO min para dispersão, ajuste de pH e adição dos reagentes na seguinte ordem: modificador, coleto~Ól$0 e espumante, em volume total de 600 mt . Após o perlodo de flotação ( 4 min sob agitação lent8 e 2 min de repouso) retirava-se a espuma por suc­ção para secagem a 60 C e determinação do teor de cinzas.

Aglomeração Oleosa . Etites testes foram efetuados empregondoum agi tador mecanlco marca Flsatorn, modelo 713T, e um reator cillndrico (12,5-cm de diâmetro) com capacidade de 2000 mt e dotado com 4 defletores (11 cm de altura e 1,1 cm de lsrqura) dispostos a 90° um do outro. o procedi mento experimental consistiu em condicionar a suspensão de carvão (50Õ mi ) durant e 1 minuto a 3800 rpm, seguido da. adição do óleo (querosene , mistura querosene/OCE) com agitação na m~sma velocidade de rotação por 4 minutos. Logo após, fez-se agitação lenta a SOO rpm durante 10 minutos , para permitir o crescimento dos agregados forma~os. Depois do que reali­zou-se a separação dos aglomerados pelo peneiram~nto com vácuo em 74 ~m (200 malhas Tyler). Finalmente, retirou-se ~ostra do concentrado para determinação de sua àmidade, secou-se a 150 C os produtos da aglomeração e determinou-s e o teor médio de cinzas. O conteúdo de umidade dos aglome rados foi medido pela diferença de peso, após a amostra coletada seraqui cida a l00°c durante 1 hora . Quando adicionou-se o querosene na formã ernulsificada, o volume da suspensão de carvão usado foi de 400 rnt , sendo injetado posteriormente 100 mt de emulsão.

Em tudos os ·processos testados a análise das cinzas foi efetuada de acordo com a norma ABNT-MB-15, só que para o caso da aglomeração oleo sa com mistura querosene/OCE, fez-se, inicialmente, a·determinação da cem posição dos aglomerados dtravés da perda de peso' que se obtém com a di= luição da amostra do concentrado em solventes comercia! do OCE (Isaraz , da Ipiranga S.A.), seguida de filtragem e seoage~ a lSO c.

Em geral, a percentagem de sólidos utilizada em todos testes foi de lO\ de sólidos (peso/volumei , coa exoeção dos experimentos de FAD (1\ de sólido (peso/volume). AI emulsões de querosene em água destilada, !o rarn preparadas empre2ando um misturador Braun-Miniprimer e um becker de 500 m~ ·(7 , 5 cm de diarnetro) através de agitação durante 2 minutos.

RESULTADOS ~ DISCOSSAO

Flotação. O efeito da concentração de querosene na flotação con -vencionai do carvão é apresentado na figura 2. Destes resultados pode-se observar que a recuperação em massa ~umenta com aumento da quantidade de querosene adicionada até 0,6 kg.ton- , apartir da qual praticamente al -cança o seu valor máximo e perm~nece constante (Ra 80\, 15 , 5t CZ), en­quanto que o teor de cinzas experimenta um crescimento linear de 13,9 pa r a 18,0\. Este crescimento do teor de cinzas provavelmente deve-se ao aü mento da hidrofobicidade das partlculas mistas existentes com o aumentõ da concentração de querosene, fazendo com que .particulas com maior pro -

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O' I I I I I I o o 6,2 6,4 0,6 o,8 i.o 1 Concentração de Querosene (kg.ton- ) Figura 2 .. - Efeito do Querosene n.a. flotacão C!;m­vencional ª carvão ~ urussanga (-400# 27 23\ ~)

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~ T~:rrgJ:rinl Figura 3.-~~ Recuperacao ~ para Flotaçào Convencional 4st ~ ele.. Ul:.u.s..­aanqa (-~ 27.23t CZ). ~ dl2. ~­!!!·

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• Sem Queroaene ( ------ •) o o, 6 kg. ton -l de Querosene

• 1,0 kg.ton-l de Querosene 8 0,3 kg.ton-l da Querosen~ ( ----1

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porção de matéria mineral, que er~m flotados lentamente, ou nao, paraDaL xa dosagem de querosene, passem a ser recuperadas no concentrado (4) (3)~ Por outro lado pode-se verifJcar que o carvão só na presença de MIBC (0,342 kg.ton-1 ) já mostra razoável flotabilidade (Rm•59,7'), indicando que o seu grau de hidrofobicidade é considerável .

O efeito da concentração de querosene na cinética de flotação con­vencional é mostrado nas curvas de recuperação em massa versus tempo da figura 1. Verifica-se, para um mesmo tempo de flotaçáo, que o aumento da concentração produz uma taxa de flotação mais rápida e, portanto, maior recuperação em massa, porém a custo de um aumento de cinzas do flotado. Além disso, pode-se notar que para cada dosagem de querosene usada o teor de cinzas do flotado permanece constante , sendo a seletividade,por tanto, independente do tempo, o que permite que a flotação seja realiza~ da por maior tempo para assim obter recuperação máxima em massa, sem que haja aumento do teor de cinzas do concentrado . Este último comportamento do carvão provavelmente indica que a contaminação do flotado por arraste mecânico de partículas liberadas da matéria mineral é nula ou tem-se re­duzido ao mínimo, devendo-se quase que totalmente a partículas mistas de matéria carbonosa. Estudos feitos por Bustamante a Warren (14) (15) mos­traram que o conc!ntrado obtido por flotação

1de carvões australianos com

KIBC (0,3 kg.ton- 1 e querosene (0,6 kq.ton- .l são constituídos somente por partículas mistas, o que correlaciona bem com a hipótese levantada.

Flotação Aglomerante. A figura 4 mostra o efeito da concentraçãode querosene na flotaçao aglomerante a dois pH (natural e 10.01. Observa-se que o comportamento do carvão em termos de recuperação e seletividadefOi praticamente semelhante nestes dois pH. Verifica-se1 também, que a recu­peração sofre só uma pequena variação até 2 kg.ton- (77\ para 85\), een do que para valores maiores da concentração de querosene, ela permanece constante. Por outro lado, o teor de cinzas apresenta oomporta.mento sim! lar ao da flotação convencional, só que deslocado para valores levemente maiores (16 a 18' CZ). Este mais alto teor de cinzas, além da hipótese já levantada anteriormente sobre as partículas mistas, deve provavelmen te ser por aprisionamento de partículas de matéria mineral nos floc~~ que devem começar a serem formados a partir de O ?l de óleo (2 kg.ton- ) (4). O efeito da.mudança no ~ondicionamento pode or melhor ob!frvado P! ra o intervalo de concentraçao de querosene entre O e 1 kg.ton . Na au­sência de querosene observa-8e que agitação violenta da flotação aglome­rante obtém recuperação em massa (77,6\) e teor de cinzas (15,5\) maio­res que para ilotação con"eicional (59,7\) e (13,9\l, respectivamente. No entanto, para 1 kg.ton- . de querosene o concentrado apresenta recu­peração e teor de cinzas praticamente iguais.

A influência do querosene na cinética da flotação aglomerante é mostrada através das curvas recuperação versus tempo da figura S. Pode --se verificar que a taxa de·flotacão é mais rápida do que na flotaçãocon vencional e que o efeito do querosene na recuperação e teor de cinzas pã ra um mesmo tempo de flotaçào, é mais pronunciado, obtendo-se mais rapT damente (2 min) recuperação em massa de 85,0\._~orém isto ocorre a custõ de um mais alto consumo de reagente (10 k9 .ton ) e mais alto teor de cinzas (20,H).

Plotação ! Ar Dissolvido (~). Estudos de FAD realirad~s ante-riormente com ultrafinos do JDeSIIO carvao (12,1\ CZ) e nas mesmas condiçoes expe r!me~tais deste trabalho (10) têm mos~rado que a seletividade e recuper~ çao e dependente do tipo e concentraçao de oleo usado (trelhores resultados com querosene) e do pH da suspensão (pH ótimo a 8,0), e que a percenta­gem de sólidos é um fator limitante do processo.

O efeito do querosene na FAO do carvão é apresentado na figura 6. Observa-se que a curva de recuperação da matéria carbonoaa apresenta um máximo entre 4-12 kg.ton-l podendo, portanto,1ser dividido e.m três re­giões diferentes de 0-4, 4-12 e 12-20 kg.ton- de querosene. Nas duas pri­meiras regiões o efeito do querosene correlaciona bem com os apresenta -dos na flotaç~o conven~ional e aglomerante, podendo-se obter constntrado com recuperaçao de materia carbonosa de 90\ a partir de 4 kg.ton deque roaene. Para a terceira região observa-se que há um decréscimo da recup~

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pH: 6,4-8,1 \ de sólidos: 1\_fp/v) MIBC: 1,9 kg.ton

.. ~Recup. de Matéria Carbonosa

oRecup. em Massa

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Concentração de Querosene (kq.ton-1) Figura 6 . Efeito do Querosene na FAD de Carvão Urus

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Efeito da\ de Sólidos na FAD.de Carvão Ci'e'ürüsããnga (-4 O ó)íl, 2 7-;2 3 %Cz). -----

Figura 7 .

293

ração que, provavelmente,ae deva a um aumento no tamanho dosflocos forma dos fazendo coa que uma fração deatea agregados não consigam ser flota = dos pelas microbolhas. Por outro lado, pode-se notar que o teor de cin­zas do !lotado dlminui linearmente com o crescimento da concentração de querosene (de 15,3 para 12,8% CZ), o que mostra que a FAD apreaent~ um comportamento quanto a seletividade, oposto ao da flotação convencional t aglomerante, ao mesmo tempo que alcança niveis de recuperação comparMis aos resultados obtidos com estes dois Últi.os procesaos.

O efeito da \ de sólidos na !lotação de carvão é mostrado na figu­ra 7. Observa-s, que o teor de cinzas do processo cresce bruscamente até 3\ de sólidos (p/v) (de 13 para 25\ CZ) e ac~a deste valor não 8e obtém seletividade. Este resultado mostra que para efeito de beneficiamentodoa efluentes dos lavadores de carvão, a FAD só é viável a \ de sólidos bai­xas (-1\).

Aglomeração Oleosa. Aa figuraa 8 e 9 moatram o afeito da concentra ção de querosene e~stura queroaene/OCE na proporção de l:l respectT vamente, sobre a aglomeráção oleoaa do carvão. Testea feitos com querosi ne emulaificado mostraram resultados semelhantes aos obtidos sem a emul= sificação. Observa-se que tanto com o querosene como a mistura ~uarosene{ OCE, pode-se obter um concentrado com 95% de recuperação de mataria car­bonosa, teor de cinzas de lO\ e teor de umidade de 30\, para concentra -ção do óleo de 40\ em peso de sólidos seco da alimentação. Verifica-se , também, que o comportamento da recuperação de matéria carbonoaa e teor de umidade em função da concentração de amboa os tipos de óleoa utiliza­dos, são semelhantes. No caso da recuperação, há um aumento até um valor da concentração do óleo apartir do qual ela alcança um valor máximo. Pa­ra o querosene isto acontece para concentração de óleo de 20\ enquanto que para a mistura que~osene/OCE se dá a 30\. Esta dife cença poaaivelmen te seja devido à diferença das propriedades doa dois tie?s de óleos usa= dos: querosene é um óleo leve e pouco viscoso e OCE um oleo pesado de e­levada viscosidade. Isto faz OCIII que o querosene possua maior dispersibili dad.e na suspensão do carvão do que na mistura querosene/OCE, gerando umã maior probalidade de colisão entre gota de óleo e particula e consequen­temente uma aaior recuperação, para mesmo nival de concentração do óleo. Além disso, pode~•• observar que o querosene, ao longo de toda a faixa de concentração do óleo estudada, é mais seletivo do que a mistura quero sene/OCE. No caso do querosene a queda do teor de cinzas com aumento di concentração do 6leo provavelmente seja explicada pelo acréscimo da per­centagem dos volumes doa poros que vão sendo ocupadoa e pela estruturas dos agregados formados que passam de flocos para microaglomeradoa e des­tes para pelotaa, tornando maior a rejeição das cinzaa. O aumento do teor de cinzas para a concentração da m.istura querosene/OCE acima de 40\ provavelmente deva-se ao fenômeno observado experimentalmente, para esse nível de dosagem do óleo, da formação de uma pasta carbonosa que deve apriaionar no seu interior particulaa de carvao coa alto teor da cinzaa e matéria mineral liberada. Sendo o OCE um óleo pesado e viscoso deve oc:n ter um nivel maia alto de grupos funcionais inorgânicos que poderiam si adsorver sobre superfícies hidrofilicas tornando-as hidrofóbicas aume.n -tando assim o teor de cinzas dos aglomerados.

No caso do teor de uaidade, nota-se que o seu valor diminui com o aumento da concentração de óleo, alcançando aprox. 30\ a partfr de 40\ eiD peao de óleo. Eate reaultado é explicado tradicionalmente através do mecanismo da aglomeração oleos~ segundo o qual o espaço entre as partlcu las são preenchidos com óleo, tornando-as màia hidrofóbicas, o que provõ ca co=o conseqOência a eliminação àa água do interior doa aglomerados,em contraste com oa concentrados de flotação que tem maior conteúdo de umi­dade. Eate reaultado é promiasor, poia torna possivel um estudo da elimi nação de etapas de remoção de umidade (espessamento, centri~ugaçio, fil= tragem) •

CONSIDERAÇ0ES ~ ~ CONCLUSOES

Fazendo uma análise comparativa dos resultados, pode-se eatabele -cer que em termos de seletividade e recuperação o proceaao maia eficien­te é a aglomeração oleosa (-10\ cinzas no concentrado) muito embora isto

294

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Figura 8.

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Concentração de Querosene (\ em massa de sólidos) Efeito do Querosene Não Emulsificado na Aq1

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Figura 9. Elflito. da_mistura Q\leronne/OCE (1:1) ~ Aq omera~o Oleosa ao Carvao de Uruasan-s.! HOO~, 2~ - --- -

• Rec .Kat. _carbcl1osa oRac. em Massa, • UnJ.4ade • Cinzas

295

seja conseguido is expensas de um maio~ consumo de óleo. Não obstante a flotação convencional não ter conseguido a mesma eficiência da aglomera­ção oleosa (teor de cintas mais elevado e recuperação em massa aproxima­damente igual), ela deve ser considerada, devido ao baixo consumo deólio requerido para a obtenção de concentrado com 15• de cinzas. A FAD e a flotação aglomerante, devido à baiXa percentagem de sólidos da polp~ que pode ser beneficiada e alto teor de cinzas do concentr4do, respectiva­mente, não se mostraram competitivos, qt.~ando comparado com outros dois processos. De interesse é o fato que as partlculas ultrafinas apresenta­ram boa recuperação quando flotadas com bolhas de ar de tamanho conven -cional. Ou seja, não foi observado o declinio na recuperação que se ob -tém na flotação de minerais metálicos ou um aumento no consumo de reage~ tes devido à maior superfície especifica. -

Uma escolha entre os processos mais competitivos, flotação e aglo­meração oleosa, somente será posslvel mediante uma avaliação eoonômica. Nesta avaliação, o custo do óleo será a maior desvantagem da aglomeração oleosa quando se éompara o custo operacional de ambos processos. Com re­lação ao custo de investimento, a aglomeração pode apresentar vantagens devido ao provável menor número de etapas envolvidas no fluxograma do processo. Cabe salientar que a estrutura de preços do carvão e a comer -cialização dos produtos dificultará a análise económica.

AGRJ\DECIMENTOS

A~radecemos a Ismael Pedro Bortoluzzi pelo fornecimento da amostra de carvao utilizada neste trabalho, ao Prof. Jorge Rubio pel,o apoio pres tado a este projeto e a Maria de Lourdes pela datilografia. -

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