UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC

CURSO DE ENGENHARIA QUMICA

LUIZ HENRIQUE ZIM ALEXANDRE

COMBUSTVEL ECOLGICO A PARTIR DE RESDUOS DE BIOMASSA E

REJEITOS DE CARVO MINERAL

CRICIMA

2016

LUIZ HENRIQUE ZIM ALEXANDRE

COMBUSTVEL ECOLGICO A PARTIR DE RESDUOS DE BIOMASSA E

REJEITOS DE CARVO MINERAL

Trabalho de Concluso de Curso, apresentado para obteno do grau de Engenheiro Qumico no curso de Engenharia Qumica da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.

Orientadora: Prof. MSc. Nadja Zim Alexandre

CRICIMA

2016

LUIZ HENRIQUE ZIM ALEXANDRE

COMBUSTVEL ECOLGICO A PARTIR DE RESDUOS DE BIOMASSA E

REJEITOS DE CARVO MINERAL

Trabalho de Concluso de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obteno do Grau de Engenheiro Qumico no Curso de Engenharia Qumica da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de Pesquisa em valorao de resduos.

Cricima, 1 de dezembro de 2016

BANCA EXAMINADORA

Prof. Nadja Zim Alexandre - Mestre - (UNESC) - Orientadora

Prof. Adriano Michael Bernardin -Doutor - (UNESC)

Prof. Michael Peterson - Doutor - (UNESC)

Aos meus pais, que no mediram esforos

para me proporcionar boas condies de

estudo e educao.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Luiz Rodeval Alexandre e Nadja Zim Alexandre, por todo

amor e educao que me deram, tanto de forma pessoal, quanto profissional, que

no mediram esforos para me proporcionar bons momentos e oportunidades.

Aos meus irmos Luiz Antnio e Maria Catarina, pelo apoio durante a

confeco deste trabalho.

equipe EPOSS e C2C pelo companheirismo e auxlio durante os anos

de trabalho conjunto. Muito obrigado por tudo, Letcia Matos, Camila Tachinski e

Eduardo B. Serafim.

Universidade do Extremo Sul Catarinense e seus educadores, que

contriburam para minha formao tica-profissional.

Carbonfera Metropolitana, em especial Eng. Luiz Antnio e Eng. Andr

T. Escobar por disponibilizar os rejeitos utilizados neste trabalho e oferecer o espao

fsico do laboratrio para realizao de anlises, desta forma, meus agradecimentos

se estendem s tcnicas de laboratrio Letcia Chini e Jlia Rizzati.

Ao CIENTEC, em especial ao engenheiro Guilherme Souza, por permitir

os ensaios no leito de bancada e pela tima recepo, e tambm aos engenheiros

Guilherme Priebe e Eduardo. Muito obrigado pela oportunidade.

Eirich, em especial ao Carlos Silveira, pelo treinamento e por transmitir

os conhecimentos nas operaes de granulao.

Ao programa Sinapse da Inovao, juntamente FAPESC pelo prmio de

inovao que permitiu a realizao deste estudo.

Aos meus amigos, Ana Carolina Feltrin, Thamiris Uggioni, Luiz Fernando

Barcelos e Janana Tasca, que me acompanharam durante toda trajetria

acadmica, proporcionando momentos de diverso, companheirismo e estudo.

Aos demais colegas pelos quais tive um carinho muito grande durante a

graduao: Elizandra, Cristian, Eduardo, Marcelo, Juliane, Carolina Milcharek,

Karoline Benedet e s Renatas.

No est na natureza das coisas que o

homem realize um descobrimento sbito e

inesperado; a cincia avana passo a passo

e cada homem depende do trabalho de seus

precedores.

Ernest Rutherford

RESUMO

Estudo da elaborao de um combustvel ecolgico que utiliza como matrias primas resduos de biomassa e rejeitos do beneficiamento do carvo mineral com introduo de um agente de captura de SO2 na formulao passvel de competio com o carvo mineral CE4500. A biomassa utilizada foi a serragem (p de serra) e os rejeitos foram obtidos do tratamento de efluentes da Carbonfera Metropolitana. Caracterizou-se as matrias primas para formulao, onde a quantidade de biomassa e rejeitos de carvo permaneceram fixas em todas as formulaes, variando apenas a quantidade de calcrio utilizada. A obteno do combustvel ecolgico se deu atravs da operao unitria de granulao, resultando em gros com PCS (kcal/kg) de 5022; 4979; 4813 e 4708 para as formulaes branco, 1M, 2M e 3M respectivamente, assemelhando-se ao carvo de referncia, que apresentou PCS de 4636. Notou-se influncia do calcrio no poder calorfico das formulaes, evidenciada pela endotermia de calcinao. Ensaios de comportamento fluidodinmicos foram realizados em leito de bancada para obteno de parmetros de fluidizao das formulaes e do carvo de referncia. A mistura no leito se deu em uma proporo volumtrica de aproximadamente 13% e 24% tanto para os combustveis quanto para o carvo, apresentando performances semelhantes de fluidizao, indicando que quem comanda a movimentao no leito o prprio leito de inertes. Tambm foram realizados ensaios de leito homogneo para os inertes, carvo de referncia, formulao branco e formulao 2M com comparativos em massa e volume. Para estes ensaios a umf foi previamente obtida por clculos tericos e atravs do mtodo grfico experimental de perda de carga em funo da velocidade do gs ascendente onde os modelos tericos demonstraram-se eficientes para previso da velocidade mnima de fluidizao real para um leio homogneo. Para os leitos de mistura, a umf foi obitida experimentalmente atravs de mtodo grfico. A tcnica de TGA/FTIR foi utilizada para anlise da perda de massa do combustvel submetido ao aumento de temperatura e anlise qualitativa das emisses de compostos durante o processo. A anlise TGA demonstrou maior perda nos gros de combustvel ecolgico, evidenciada principalmente pelo teor de matrias volteis presentes no mesmo, a maior perda de massa por desvolatizao foi de 35,8% na formulao 1M. Os espectros de infravermelho indicaram, na faixa da banda de SO2 redues significativas para as formulaes que incluem agente dessulfurante em todas as faixas de temperatura quando comparadas ao carvo mineral de referncia e formulao branco. Palavras-chave: valorao de resduos, granulao, dessulfurao, propriedades fluidodinmicas, TGA/FTIR.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Comparativo do uso de fontes renovveis de energia. ............................. 14

Figura 2 - Sequncia de queima do carvo. .............................................................. 18

Figura 3 - Principais fontes de biomassa .................................................................. 22

Figura 4 - Evoluo da oferta de bioeletricidade, em TWh, e evoluo da participao total da bioeletricidade na gerao total de 1970 a 2014. ..................... 23

Figura 5 - Etapas de queima da biomassa. ............................................................... 25

Figura 6 - Perda de carga em funo da velocidade do ar ascendente .................... 27

Figura 7 - Diferentes regimes de fluidizao em funo do acrscimo da velocidade do gs. ...................................................................................................................... 29

Figura 8 - Mecanismos de granulao ...................................................................... 37

Figura 9 - Interao entre pontes lquidas de esferas semelhantes .......................... 40

Figura 10 - Estgios da granulao via mida. ......................................................... 41

Figura 11 - Diagrama esquemtico do processo de beneficiamento do carvo mineral. ..................................................................................................................... 48

Figura 12 - Fluxograma de produo do combustvel, com detalhe do granulador utilizado na produo em escala laboratorial. ........................................................... 50

Figura 13 - Prato peletizador utilizado na elaborao do combustvel ...................... 51

Figura 14 - Equipamentos utilizados durante a granulao dos combustveis, onde: a) analisador de umidade; b) medidor de resistncia ................................................ 52

Figura 15 - Estrutura do equipamento de fluidizao a frio. ...................................... 54

Figura 16 - Mistura parcial volumtrica 24% de gro em inertes no equipamento de teste. ......................................................................................................................... 56

Figura 17 - Comparativo da anlise imediata dos combustveis formulados e carvo de referncia. ............................................................................................................ 67

Figura 18 - Curva de fluidizao para leito homogneo de combustveis em proporo volumtrica ............................................................................................... 69

Figura 19 Curva de fluidizao para leito homogneo em proporo mssica. ..... 70

Figura 20 - Queda de presso em funo da velocidade superficial do gs para leito de 13% v/v................................................................................................................. 72

Figura 21 - Queda de presso em funo da velocidade superficial do gs para leito de 24% v/v................................................................................................................. 73

Figura 22 - Perda de carga do distribuidor em funo da velocidade do gs ............ 75

Figura 23 - Anlise das bandas de SO2 para faixa de temperatura de 100-200C. .. 76

Figura 24 - Anlise das bandas de SO2 para faixa de temperatura de 300-400C. .. 77

Figura 25 - Anlise das bandas de SO2 para faixa de temperatura de 500-600C ... 78

Figura 26 - Anlise das bandas de SO2 para faixa de temperatura de 750-850C ... 78

Figura 27 - Anlise TG para formulao Branco ....................................................... 81

Figura 28 - Anlises TG para formulaes 1M (A), 2M (B) e 3M (C) ......................... 82

Figura 29 - Anlise TG para o carvo de referncia .................................................. 83

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Identificao das formulaes em funo da razo Ca/S ........................ 57

Tabela 2 Caractersticas dos componentes do combustvel e do carvo de referncia. ................................................................................................................. 59

Tabela 3 - Massa de gua acrescentada (mL) e umidade medida (%) em cada formulao................................................................................................................. 60

Tabela 4 Resultados do ensaio granulomtrico do combustvel proposto considerando as diferentes relaes Ca/S e do branco. ........................................... 61

Tabela 5 Caractersticas do combustvel proposto considerando as diferentes relaes Ca/S, do branco e do carvo de referncia ................................................ 66

Tabela 6 Velocidade de fluidizao para carvo de referncia, branco e formulao 2M. ............................................................................................................................ 71

Tabela 7 Perdas de massa referentes s etapas de aquecimento ......................... 83

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Modelos propostos para clculo de Reynolds mnimo de fluidizao. .... 31

Quadro 2 - Valores de esfericidade para alguns materiais ........................................ 33

Quadro 3 Normas tcnicas utilizadas como referncia para a caracterizao do carvo de referncia, dos componentes da formulao e do combustvel proposto. 49

Quadro 4 - Planejamento dos testes fluidodinmicos em unidade piloto de leito frio. .................................................................................................................................. 53

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

B.E.T Brunauer, Emmett, Teller Method

CIENTEC Fundao da Cincia e Tecnologia

CZ Teor de Cinzas

DAM Drenagem cida de Mina

FLF Fornalha de Leito Fluidizado

FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy

MV Matria Voltil

PCS Poder Calorfico Superior

Remf Reynolds Mnimo de Fluidizaao

TGA Anlise Termogravimtrica

Umf Velocidade Mnima de Fluidizao

1M Formulao com Ca/S = 0,5

2M Formulao com Ca/S = 1

3M Formulao com Ca/S = 1,5

SUMRIO

1 INTRODUO ....................................................................................................... 11

1.1 Objetivos ............................................................................................................. 12

1.1.1 Objetivo Principal ........................................................................................... 12

1.1.2 Objetivos Especficos .................................................................................... 12

2 FUNDAMENTAO TERICA ............................................................................. 13

2.1 A MATRIZ ENERGTICA ................................................................................... 13

2.1 USO DO CARVO MINERAL NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA ........... 14

2.1.1 Aspectos ambientais do uso de carvo mineral ......................................... 15

2.1.2 Desafios e gesto do carvo ......................................................................... 19

2.2 USO DA BIOMASSA NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA ........................ 21

2.2.1 Uso da biomassa e seus aspectos ambientais ............................................ 23

2.3 TECNOLOGIA DE QUEIMA EM LEITO FLUIDIZADO ........................................ 26

2.3.1 Fornalhas de leito fluidizado ......................................................................... 33

2.3.2 Tecnologias de queima conjunta de biomassa e carvo ............................ 34

2.3.3 Equipamentos de granulao ....................................................................... 41

2.4 PROCESSOS DE REMOO DAS EMISSES DE ENXOFRE ........................ 42

2.4.1 Dessulfurao ................................................................................................. 43

3 METODOLOGIA .................................................................................................... 47

3.1 CARACTERIZAO DOS RESDUOS E DO COMBUSTVEL PROPOSTO ..... 47

3.2 ELABORAO DO COMBUSTVEL PROPOSTO ............................................. 49

3.3 PROPRIEDADES FLUIDODINMICAS DO COMBUSTVEL ............................. 52

3.3.1 Ensaio de fluidizao dos inertes ................................................................. 55

3.3.2 Ensaios com leito homogneo de combustvel ........................................... 55

3.3.3 Ensaio de fluidizao com leito de inertes e combustvel .......................... 55

3.4 AVALIAO DAS PROPRIEDADES DESSULFURANTES DO COMBUSTVEL

.................................................................................................................................. 56

4 APRESENTAO E ANLISE DOS DADOS ....................................................... 59

4.1 PRODUO DO COMBUSTVEL ECOLGICO ................................................ 59

4.1.1 Granulao ...................................................................................................... 60

4.2 CARACTERIZAO DO COMBUSTVEL PROPOSTO ..................................... 66

4.3 PROPRIEDADES FLUIDODINMICAS DO COMBUSTVEL ............................. 68

4.3.1 Perda de carga do leito formado pelos combustveis propostos .............. 68

4.3.3 Perda de carga do distribuidor / placa ......................................................... 74

4.4 PROPRIEDADES DESSULFURANTES DO COMBUSTVEL ............................ 75

5 CONCLUSO ........................................................................................................ 85

REFERNCIAS ......................................................................................................... 88

11

1 INTRODUO

A atividade de minerao do carvo uma importante atividade econmica na

regio sul do estado de Santa Catarina. O carvo mineral o principal combustvel

das termeltricas em operao no sul do Pas. Esta atividade questionada h

algum tempo em funo do passivo ambiental gerado pelas prticas adotadas no

passado e que acumularam aproximadamente 6.000 hectares de terra improdutiva

distribudas nas trs bacias hidrogrficas da Regio Carbonfera.

A matriz de aspectos e impactos ambientais da minerao do carvo revela

que uma das principais fontes de poluio foi a deposio inadequada dos rejeitos

carbonosos gerados na etapa de beneficiamento deste minrio. O processo poluidor

ocorre devido oxidao do enxofre e a consequente lixiviao dos metais

presentes no rejeito, especialmente na frao contendo pirita.

A mitigao dos impactos ambientais decorrentes deste processo poluidor

est diretamente relacionada com a reduo da sua gerao no processo de

minerao, conjugados com as tcnicas de deposio de forma a evitar o contato do

material sulfetado com o oxignio. Esta prtica minimiza, mas no soluciona por

completo o problema, uma vez que se trata de um confinamento que depende de

uma manuteno contnua sem a qual o problema retorna.

Alm disso, a queima do carvo mineral constitui-se como uma importante

fonte de poluio atmosfrica, representada pelos gases de efeito estufa, o

monxido de carbono e os gases de enxofre, principais responsveis pela chuva

cida.

De um modo geral, alm dos rejeitos de carvo, as atividades agroindustriais

e domsticas geram resduos de toda natureza, constituindo-se em fontes potenciais

de poluio se descartados de forma inadequada.

Uma das formas de minimizar os impactos associados aos rejeitos de carvo

e tambm dos resduos de biomassa o reaproveitamento dos mesmos para fins

energticos, agregando valor suficiente para tornar a soluo sustentvel sob o

ponto de vista tcnico, econmico e ambiental.

12

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Principal

Elaborar um combustvel com propriedades dessulfurantes a partir de

resduos de carvo mineral e de biomassa para queima em fornalhas de leito

fluidizado.

1.1.2 Objetivos Especficos

- Caracterizar os resduos e combustvel proposto

- Elaborar o combustvel ecolgico

- Analisar as propriedades fluidodinmicas do combustvel

- Avaliar as propriedades dessulfurantes do combustvel

13

2 FUNDAMENTAO TERICA

2.1 A MATRIZ ENERGTICA

Aproximadamente 85% das fontes comerciais de energia usadas no mundo

so oriundas de combustveis fsseis: carvo, petrleo e gs natural. As reservas

destes combustveis, com exceo do carvo, seguindo as taxas de utilizao

atuais, podem no durar mais do que o tempo de vida das pessoas existentes hoje

(HINRICHS, KLEINBACH E REIS, 2010).

A principal alternativa aos combustveis fsseis e nuclear o aproveitamento

das fontes renovveis de energia, estas, derivam direta ou indiretamente da luz

solar, com exceo da energia geotrmica. Os crescentes encargos ambientais

associados a esses combustveis geram interesse acentuado em uma srie de

tecnologias de energia renovvel. Segundo Spiro e Stigliani (2009), as principais

fontes renovveis de energia so:

Energia Elica;

Energia Geotermal;

Energia da Biomassa;

Energia Hidreltrica; e

Energia Solar.

Conforme dados do relatrio de sntese do Balano Energtico Nacional de

2015: Ano base 2014, a participao de renovveis na matriz energtica brasileira

manteve-se entre as mais elevadas do mundo, com pequeno crescimento em

relao ao ano anterior devido a fatos, como queda da oferta interna de petrleo e

derivados. Hoje, o Brasil conta com 41,2% da sua matriz energtica proveniente de

fontes renovveis, margem esta, que j foi mais elevada, como por exemplo em

2011, onde este valor correspondia a 44%. (BRASIL, 2016).

Porm, em mbito mundial, a utilizao de fontes renovveis de energia ainda

relativamente pequena, correspondendo a uma fatia de 13,5%, conforme mostra a

Figura 1.

14

Figura 1 - Comparativo do uso de fontes renovveis de energia.

Fonte: Tolmasquim (2016)

2.1 USO DO CARVO MINERAL NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA

O carvo o combustvel mais abundante da Amrica e do Mundo. Tanto que

os Estados Unidos j foram chamados de a Arbia Saudita do carvo (HINRICHS,

KLEINBACH E REIS, 2010).

A atividade carbonfera no Brasil concentra-se na regio Sul, onde torna-se

inevitavelmente uma pea importante na economia dos estados de Santa Catarina,

Rio Grande do Sul e, em menor importncia, no Paran. Estes estados produziram,

respectivamente, 6.507.617; 6.259.740 e 340.000 toneladas de carvo bruto no ano

de 2015 (SIECESC, 2016).

O carvo mineral responsvel por uma parcela de 5,9% da matriz

energtica do Brasil, englobados na fatia de 58,8% proveniente de fontes no

renovveis (BRASIL, 2016).

15

2.1.1 Aspectos ambientais do uso de carvo mineral

A atividade de minerao de carvo gera uma expressiva quantidade de

rejeitos, devido principalmente explorao de carvo de baixa qualidade, de difcil

utilizao, consequente das impurezas contidas nas rochas (CHERIAF et. al. 2002).

O carvo mineral brasileiro contm alto teor de impurezas, principalmente

pirita e minerais da rocha sedimentar que no tem interesse sob o ponto de vista

energtico. A fim de atender aos parmetros de operao das usinas termoeltricas

a carvo em operao no Pas, torna-se necessria a utilizao de mtodos de

concentrao, tambm conhecidos como beneficiamento, onde separa-se o mineral

de interesse do que se considera impureza. (AMARAL FILHO, 2014).

Segundo Hulse e Ron (2016), o beneficiamento do carvo se refere ao

tratamento dado ao carvo bruto (ROM), a fim de assegurar a qualidade do mesmo

e aumentar sua potencialidade para o uso de acordo com a tecnologia de queima

atualmente implantadas nas trmicas.

Conforme Amaral Filho (2014) o complexo termoeltrico localizado em

Capivari de Baixo (SC) aceita produtos com at 43% de cinzas e 2,3% de enxofre

para gerao de energia. Estes autores afirmam que 60 a 70% do carvo bruto,

tambm chamado de run-of-mine (ROM) em Santa Catarina, disposto em

depsitos como rejeito. Assim, estima-se que existam mais de 300 milhes de

toneladas de rejeitos de carvo na regio sul do pas.

Estes materiais grosseiros, quando dispostos sem os devidos controles,

tendem a entrar em combusto espontnea, emitindo gases e particulados,

comprometendo as condies de sade e ambiental do entorno. Tais materiais

podem igualmente originar guas cidas provenientes da oxidao da pirita contida

nos resduos, demandando tratamento preventivo para evitar contaminao do

lenol fretico e guas superficiais da regio (CHERIAF et. al. 2002).

2.1.1.1 Drenagem cida

A drenagem cida de mina (DAM) um dos mais srios problemas

ambientais causados pela minerao, relacionando-se principalmente as atividades

de minerao de carvo (KONTOPOULOS, 1998 APUD DA RUBIO, OLIVEIRA E

16

SILVA, 2010). sem dvida, o mais preocupante problema ambiental que assola a

Regio Carbonfera Catarinense, devido contaminao da gua e do solo (LOPES,

SANTOS E GALATTO, 2009).

A drenagem cida de minas um efluente rico em metais provenientes de

reaes qumicas condicionadas pela exposio do rejeito do carvo, mais

especificamente a pirita, s intempries do meio ambiente. Provoca graves impactos

ambientais, pois mesmo aps o encerramento das atividades de extrao, a fonte

geradora pode no cessar durante dezenas de anos ou sculos, nas minas a cu

aberto, nas minas subterrneas e principalmente, nos depsitos de rejeitos, segundo

o World Coal Institute (2005) apud Amaral Filho (2014).

Este resduo lquido resulta da oxidao natural de minerais sulfetados,

quando expostos ao combinada da gua e oxignio, onde as reaes podem ser

catalisadas por microrganismos, mais especificamente, bactrias do gnero

Thiobacillus e Leptospirilium e quando no controlados, estes resduos podem

atingir mananciais de gua adjacentes, causando mudanas drsticas no

ecossistema aqutico, tornando-se uma fonte difusa de poluio (RUBIO, OLIVEIRA

E SILVA, 2010).

Segundo Lopes, Santos e Galatto (2009) por muito tempo, a atividade de

extrao e beneficiamento do carvo foi realizada de maneira predatria, o que

acarretou os principais problemas ambientais que afetam a chamada da Bacia

Carbonfera Catarinense. O desenvolvimento da drenagem cida, ou melhor, da

cintica das reaes geoqumicas governado por diversos fatores qumicos, fsicos

e biolgicos.

O carvo mineral catarinense contm altos teores de enxofre, j que as

reservas locais possuem associadas s suas camadas, quantidade considervel de

sulfeto pirita (FeS2) potencializando assim, a gerao de drenagem cida (AMARAL

FILHO, 2014).

Contudo, a indstria do carvo fundamental para a segurana energtica do

pas, principalmente em perodos de escassez de chuvas, em uma perspectiva de

longo prazo. O seu valor reside no seu poder calorfico, quanto menor o teor de

cinzas e gua, maior ser o poder calorfico (AMARAL FILHO, 2014).

17

2.1.1.2 Queima do carvo

Segundo Bews, Hayhurst e Taylor (2001, apud SAMANIEGO, 2011) a

combusto do carvo depende de vrios parmetros, entre estes so citados: a

temperatura dos gases e vapores reagentes; a umidade; o teor de volteis; a

geometria da cmara de combusto; a estrutura heterognea do carvo; o tamanho

e a porosidade da partcula; e a velocidade relativa gs-slido. O mecanismo da

queima do carvo tem como principais reaes qumicas usualmente consideradas:

C + O2 CO2

2C + O2 2CO

2H2 + O2 2H2O

S + O2 SO2

2S + 3O2 SO3

Estas reaes so denominadas reaes de oxi-reduo, e os produtos so

exemplos de gases de exausto. No caso da combusto do carvo, alm dos gases,

a gerao de inertes (cinzas) e vapores de alcatro tambm so encontrados nas

correntes (SAMANIEGO, 2011).

Segundo Moran e Shapiro (2002, apud FRANCISCO, 2012) quando uma

reao qumica acontece, h uma quebra das molculas dos reagentes e os tomos

e eltrons resultantes rearranjam-se formando os produtos com uma energia

associada a essa transformao. Na combusto, durante a etapa de oxidao dos

elementos do combustvel resulta em uma liberao de energia medida que os

produtos de combusto so formados. Os elementos que esto usualmente

relacionados com esta oxidao so o carbono, o hidrognio e o enxofre. Embora o

enxofre no contribua significativamente com a gerao de energia, ele representa

um grave problema para o processo de combusto, caso emitido de forma

demasiada nas emisses atmosfricas em forma de SO2.

[...] todo o carbono presente no combustvel queimado formando dixido de carbono, todo o hidrognio queimado formando gua, todo o enxofre queimado formando dixido de enxofre e todos os demais elementos combustveis forem totalmente oxidados, sendo a quantidade de calor liberada em cada reao denominada entalpia de combusto. [...] dito incompleto quando estas condies no forem satisfeitas ou quando nos produtos resultantes aparecem substncias combustveis, por exemplo, carbono nas cinzas [...]. (Francisco, 2012, p.49)

18

Ao serem injetadas no leito, as partculas de carvo trocam calor com o

sistema por mecanismos de conveco e radiao at a superfcie atingir o ponto de

saturao da gua, onde ento ocorre o processo de secagem na massa.

Continuando o aquecimento, em determinada temperatura ocorre a decomposio

trmica, denominada pirlise ou desvolatizao (SCOTT, DAVIDSON, DENNIS e

HAYHURST, 2007 apud SAMANIEGO 2011). A Figura 2 dispe da sequncia de

queima do carvo, relacionando temperatura e tempo.

Figura 2 - Sequncia de queima do carvo.

Fonte: Karpanen (2000) adaptada por Samaniego (2011)

A queima de combustveis fsseis apresenta como problema comum a

emisso de xidos de enxofre e nitrognio, comprometendo a qualidade do ar. Estes

compostos so os principais responsveis pelos indcios de chuva cida no

ambiente.

Isnobe (et al., 2005 apud Teixeira e Santana, 2008) afirmam que muitos

estudos confirmam que a quantidade de enxofre liberado pelas emisses do

processo de combusto de carvo maior do que a de outros combustveis fsseis.

Pesquisas epidemiolgicas indicam que as concentraes de SO2 esto

relacionadas com aumentos de morbidez e mortalidade, e ainda, a inalao pode

acarretar problemas graves ao sistema respiratrio para pessoas com problemas de

sade ou crianas. Alm disso, a fonte do fenmeno chuva cida, ocasionado pela

oxidao do SO2 para SO3 e a formao do H2SO4 quando reage com o vapor da

gua HINRICHS, KLEINBACH E REIS, 2010).

19

O tempo de residncia do SO2 na atmosfera est entre um dia e duas

semanas, desta forma, pode-se concluir que ele apresenta grande mobilidade,

podendo atingir locais distantes das fontes emissoras (BRAGANA,1996).

A reao do nitrognio atmosfrico com o oxignio a altas temperaturas

providas pela cmara de combusto forma o xido de nitrognio (NOx) trmico. Nas

caldeiras de leito fluidizado, a queima mais homognea, logo as temperaturas so

mais uniformes e baixas, condies estas, que reduzem a taxa de formao de NOx.

Para caldeiras de carvo pulverizado utiliza-se principalmente queimadores de baixa

emisso (Low NOx Burners) que fazem controle da injeo de ar e combustvel a fim

de efetuar a queima em temperaturas mais baixas (TOMALSQUIN, 2016).

Altas concentraes podem ser fatais, e em concentraes baixas pode

aumentar a suscetibilidade a infeces, passvel de irritao nos pulmes podendo

acarretar uma possvel bronquite e pneumonia, alm de ser txico para as plantas e

ser um dos precursores da chuva cida (FRANCISCO, 2012).

2.1.2 Desafios e gesto do carvo

Em funo dos impactos ambientais que historicamente esto associados

fonte, Tomalsquin (2016) enfatiza o questionamento quanto expanso do carvo

para gerao termeltrica, especialmente no momento atual de restrio de

emisses e crescimento no uso de energias renovveis para processos de gerao

de energia.

O aumento de eficincia para tecnologias de converso trmica do carvo

mineral em energia eltrica torna-se um ponto crucial para o futuro da utilizao do

combustvel, uma vez que a intensidade das emisses relacionadas queima do

carvo mineral significativamente superior de outros combustveis, como por

exemplo o gs natural.

Uma soluo bvia para se diminuir a emisso a alterao do combustvel,

ou seja, misturar o combustvel em uso com outro de menor teor de enxofre e que

resulte na reduo das emisses. A aplicao de tal estratgia pode acarretar na

diminuio da eficincia energtica da planta dependendo de como feita a mistura

e dos equipamentos trmicos utilizados.

20

Outra opo a limpeza do combustvel, uma vez que o enxofre se encontra

no carvo na forma orgnica que no pode ser removida por meios fsicos. Mtodos

de limpeza qumica, dessulfurao oxidativa e biolixiviao so efetivos, porm

ainda no demonstram valor comercial (BRAGANA, 1996).

Tomalsquin (2016) ainda afirma que, a cadeia produtiva do carvo mineral

tem o desafio de garantir a sustentabilidade de suas atividades, recuperando reas

degradadas consequentes da explorao do mesmo e dispondo de maneira correta

os resduos. Alm disso, cita a necessidade de adequao legislao e

implantao do sistema de abatimento de emisses nas empresas. Outra tendncia

a melhoria da qualidade (teor de cinzas e enxofre, por exemplo) do carvo a partir

de etapas do beneficiamento.

Cheriaf et. al (2002), alertam para a necessidade de pesquisas voltadas para

o potencial de uso dos resduos do beneficiamento de carvo. Estes materiais

apresentam elevado teor de minerais e alto percentual de umidade relativa, alm de

maior teor de enxofre quando comparados ao carvo beneficiado. Devido a estas

caractersticas, os autores apontam quatro principais rotas de valorao do rejeito:

a) uso como material de aterro incorporado a outros componentes; b) utilizao

como aditivo na produo de concreto e de artefatos de concreto; c) uso como

combustvel para as caldeiras de leito fluidizado para produzir energia ou calor e; d)

uso na agricultura uma vez que rico em nutrientes e elementos essenciais como

zinco, por exemplo.

Os benefcios do aproveitamento parcial ou integral dos resduos do carvo,

segundo Amaral Filho (2014), so vrios. Pode-se citar, dentre eles, o aumento na

eficincia energtica do setor, aproveitamento econmico de materiais, reduo do

volume de rejeitos de carvo dispostos em aterros, melhoria da qualidade ambiental

dos recursos hdricos, uma vez que diminui a potencializao da DAM, reduzindo

tambm, o seu custo de tratamento, com conservao de recursos naturais no setor

carbonfero. Todavia, o autor refora que estas aes exigiro investimentos em

processos, inclusive uma mudana na concepo dos modelos de explorao

mineral consolidados h anos.

21

2.2 USO DA BIOMASSA NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA

A biomassa a matria vegetal produzida pelo sol por meio da fotossntese e

pode ser queimada no estado slido ou convertida para outros estados.

Ambientalmente, as desvantagens do uso da biomassa esto relacionadas aos

conflitos da utilizao do solo para agricultura, bem como a eroso causada pela

constante colheita e plantio do material, e caso descartadas inadequadamente,

poluem solo e guas, destruindo habitats. Devido ao teor de umidade, apresenta

uma menor eficincia em termos de energia til, mas, estas desvantagens esto

muito relacionadas ao tipo de biomassa a ser utilizada. (BRAGA et al., 2002).

As principais biomassas utilizadas no Brasil em 2015 so aquelas

provenientes do setor aucareiro e de reflorestamento (lenha e carvo vegetal), que

correspondem respectivamente a uma fatia de 16,9% e 8,2% dos 41,2% que

representam a utilizao de fontes renovveis para obteno de energia no pas

(BRASIL, 2016)

Segundo Hinrichs, Kleinbach e Reis (2010) a biomassa pode ser utilizada

como combustvel em trs formas: combustveis slidos, como as lascas de madeira;

combustveis lquidos produzidos a partir de ao qumica ou biolgica sobre a

biomassa slida ou converso de acares vegetais em etanol ou metanol; e

combustveis gasosos atravs de condies de alta temperatura e presso ou

gaseificao.

A biomassa pode ser obtida de vegetais no-lenhosos, de vegetais lenhosos,

no caso, madeira e seus resduos, e tambm de resduos orgnicos, nos quais se

encontram os resduos agrcolas, urbanos e industriais. Pode ser obtida tambm na

forma lquida, como o caso dos leos vegetais, tambm conhecidos como

biofluidos (CORTEZ, LORA e GMEZ, 2014). A Figura 3 mostra as fontes de

biomassa.

22

Figura 3 - Principais fontes de biomassa

Fonte: Ministrio de Minas e Energia, 1982 apud Cortez, Lora e Gomz, 2014

Alm do aproveitamento de resduos, h a possibilidade de plantio de rvores

e gramneas de crescimento rpido especificamente para cultivos voltados

produo de energia. (SPIRO E STIGLIANI, 2009).

O Brasil um grande produtor agrcola que apresenta crescimento na

produo com decorrer dos anos. O setor gera resduos vegetais que so

produzidos no campo, resultantes da colheita dos produtos. Estima-se que o pas

no aproveita mais de 200 milhes de toneladas de resduos agroindustriais

anualmente (CORTEZ, LORA e GMEZ, 2014).

No Brasil, a bioeletricidade obtida principalmente atravs da cogerao em

segmentos industriais da usina sucroenergtica. Entre 1970 e 2000, o crescimento

da energia eltrica proveniente da biomassa foi bastante moderado, mas a partir de

2000, os incentivos federais que fomentaram a participao da bioeletricidade na

matriz nacional, como por exemplo, o PROINFA Programa Nacional de Incentivo

s Fontes Alternativas de Energia Eltrica ocasionaram um crescimento no setor,

23

baseado na expanso do aproveitamento do bagao da cana de acar. Em 2014, a

bioeletricidade gerada com bagao de cana, lixvia e lenha somou 44,7 TWh de

energia, 8% da gerao eltrica total. Estes nmeros mostram o papel relevante na

oferta de energia eltrica brasileira destas fontes, dominadas pela gerao

hidrulica, que neste mesmo ano contribuiu com 373,4 TWh. (TOLMASQUIM, 2016).

A Figura 4 mostra a evoluo da oferta de bioeletricidade no Brasil no perodo

compreendido entre 1970 e 2014.

Figura 4 - Evoluo da oferta de bioeletricidade, em TWh, e evoluo da participao total da bioeletricidade na gerao total de 1970 a 2014.

Fonte: Tolmasquin (2016).

2.2.1 Uso da biomassa e seus aspectos ambientais

Como o carbono resultante da biomassa continuamente convertido em CO2

pelo mecanismo de respirao e fotossntese, queim-lo no contribui para o

aumento do efeito estufa, salve excees de escala de tempo (no caso rvores de

lento crescimento). (SPIRO E STIGLIANI, 2009). E um dos principais argumentos

para o uso de biomassa como fonte energtica. Alm disso, no se pode descartar o

impacto decorrente da disposio de forma inadequada destes materiais no

ambiente.

Com exceo do bagao de cana de acar, a biomassa residual de

atividades agrcolas ainda subutilizada. Na maioria das vezes, os resduos so

24

deixados para decomposio natural, sem aproveitamento da energia neles contida,

e gerando passivos ambientais importantes. Somente o setor madeireiro do Brasil

produziu 13,9 bilhes de m3 de resduos em 2011, dos quais 855 mil m3 foram

exportados. (DIAS et al., 2012).

2.2.1.1 Queima de biomassa

Tecnologias que utilizam ciclos termodinmicos possibilitam a converso de

energia qumica contida na biomassa para obteno de eletricidade. As rotas

tecnolgicas so subdividas em Termoqumicas (combusto, gaseificao e pirlise),

Bioqumicas (biodigesto anaerbia e fermentao) e extrao. O ciclo

termodinmico mais utilizado para gerao eltrica o Rankine, que consiste em 4

etapas. Na primeira, o fluido de trabalho bombeado para aumentar a presso at o

nvel requerido. Na segunda, mantendo-se a presso constante, o fluido aquecido

para atingir o estado de vapor saturado. Na terceira, expande-se o gs na turbina

at valores menores de presso e temperatura, por fim, o fluido passa por um

condensador a vcuo ou por algum processo industrial que demande calor, e se

condensa presso constante, sendo ento novamente bombeado, reiniciando o

ciclo (DIAS et al., 2012).

Para etapa de combusto, o reator de leito fluidizado muito utilizado para

biomassa, e o sucesso alcanado deve-se larga flexibilidade que esta tcnica

permite, em escolha de combustveis. Devido boa mistura da fonte de energia no

leito, possvel a utilizao de combustveis com baixo poder calorfico. Quanto s

emisses, um tratamento in situ com agentes adsorventes so aplicveis,

viabilizando a dessulfurao na fonte. A temperatura mdia de operao para este

tipo de processo (700-900C) condiciona baixa emisso de xidos

nitrogenados quando comparados a outros processos de queima, uma vez

que os mesmos se formam a temperaturas mais elevadas.

Scala (1997) apud Ideias (2008) afirma que quando a biomassa injetada no

leito, a sua combusto ocorre atravs de um conjunto de quatro processos fsico-

qumicos consecutivos, conforme demonstra a Figura 5.

25

Figura 5 - Etapas de queima da biomassa.

Fonte: Ideias (2008)

Ainda conforme Ideias (2008), as quatro etapas ocorrem na medida que

o combustvel alimentado no equipamento de queima e podem ser

resumidas como:

Secagem: aquecimento com intuito de evaporar a gua presente no

combustvel. Processo endotrmico e normalmente acompanhado de

diminuio do tamanho de partcula.

Desvolatilizao: tambm conhecida como pirlise, tem como faixa de

atuao entre 200-500C. Nesta etapa, ocorre a remoo de

compostos ricos em hidrognio e oxignio da matriz slida do

combustvel devido degradao trmica da biomassa. Os produtos

gerados so funo das condies operatrias, como por exemplo o

tipo de biomassa, tamanho das partculas, densidade do leito e

velocidade de aquecimento.

Ignio: Ocorre a queima dos volteis, uma parte acima do leito e outra

no nvel do leito. A localizao da liberao de volteis durante a

combusto de grande importncia para fins de dimensionamento do

equipamento trmico.

Combusto: Ocorre depois da liberao de volteis, que resulta em

uma partcula carbonizada formada majoritariamente por carbono e

cinzas e sua constituio difere significativamente da partcula inicial

em termos de constituio qumica, porosidade e massa volumtrica.

Ocorre queima da massa carbonosa e gerao de resduos.

26

2.3 TECNOLOGIA DE QUEIMA EM LEITO FLUIDIZADO

Em muitas operaes industriais, uma fase fluda escoa atravs de uma fase

slida particulada, e em algum desses casos, a fase slida estacionria, como

uma coluna de destilao recheada, em outros, o leito desloca-se contracorrente

corrente de gs, comum em reatores catalticos. Porm, em alguns deles, a

velocidade do fludo suficientemente grande para que o momento transferido do

fluido para as partculas slidas equilibre a fora gravitacional, e o leito se expande

como se fosse uma fase fluida; podendo esta fase fluida, carregar consigo a fase

slida no transporte pneumtico (FOUST, 1982).

Segundo Moraes (2011), a fluidizao o processo fsico observado quando

um leito composto de partculas slidas atravessado por um fluxo contnuo de

gases ascendentes em que vazo condicionada produza um arraste que sustente o

peso do particulado dentro do vaso. O leito dito fixo quando a vazo de operao

no sustenta o peso das partculas, permanecendo estvel e proporcionando

apenas a passagem do fluxo entre os corpos presentes.

Devido presena de muitos canais paralelos comunicantes, que no

possuem dimetro constante, mas repetidamente expandem-se e restringem-se,

curvam-se e recurvam-se nas mais diversas direes. A medida que as partculas

obstruem a passagem do fluxo, uma perda de carga associada a essa obstruo,

ocasionadas principalmente pelas perdas de energia cinticas provenientes das

aceleraes e desaceleraes do fluxo do fluido ascendente. Alm disso, as

superfcies rugosas das partculas provocam as perdas usuais por arraste e por

atrito peculiar (FOUST,1982).

Quando a queda de presso num leito compacto, devida ao escoamento

ascendente do fludo iguala o peso do prprio leito, ocorre a fase de expanso,

aumentando-se a porosidade de forma acentuada, e a movimentao de partculas

slidas ocorrem pela influncia do fluido escoante. O leito tem muita semelhana

com um lquido fervente e se diz estar fluidizado. A Figura 6 mostra a perda de carga

em funo da vazo do fluido, neste caso ar, ascendente.

27

Figura 6 - Perda de carga em funo da velocidade do ar ascendente

Fonte: Kunii e Levenspiel (1977) (adaptado pelo autor).

No primeiro momento, identificado pelo comportamento linear, o leito

estvel, e a queda de presso e nmero de Reynolds esto relacionados pela

(Equao 1):

(Equao 1)

Onde:

P - Queda de presso no leito compacto

L - Profundidade do leito

Dp - Dimetro das partculas

- Densidade do fludo

vsm - Velocidade superficial numa densidade que a mdia entre a densidade

nas condies de entrada e a densidade nas condies de sada

- Porosidade do leito (adimensional)

NRe - Nmero de Reynolds mdio, baseado na velocidade superficial

(adimensional)

Momentos antes de atingir o ponto de perda de carga mxima, o leito torna-se

instvel, e as partculas ajustam suas posies de forma a oferecer a menor

resistncia possvel passagem de fluxo do fluido ascendente. Ao alcanar o valor

mximo de perda de carga a configurao das partculas a mais aberta possvel e

Leito fixo Leito fluidizado

Velocidade do ar uo (cm/seg)

p

(kg

w

t/m

o

u m

m H

2O

)

Incio do arraste

Velocidade Terminal, ut Inclinao = 1

28

denominada ponto de fluidizao. O balano de foras numa seo do leito de

profundidade L, quando a queda de presso equilibra a fora gravitacional (ponto de

fluidizao) conforme (Equao 2):

(Equao 2)

Wen e Yu (1996) apud Silva (2011) supem que, no ponto de mnima

fluidizao, os valores de queda de presso da equao do balano de foras, so

os mesmos encontrados pela equao de Ergun, representada pela (Equao 3.

(Equao 3) onde:

- Esfericidade das partculas

- Viscosidade do gs de alimentao

Atualmente a equao de Ergun o modelo mais aceito para a previso da

queda de presso em leitos fixos, amplamente utilizada pois no possui restries

quanto ao nmero de Reynolds, tanto para partculas uniformes quanto no

uniformes. Silva (2011), estudando Wen e Yu (1996), Geldart (1986) e Oka (2004)

afirmou que pode se determinar a velocidade mnima de fluidizao terica,

igualando a perda de carga na mnima fluidizao do balano de foras com a perda

de carga na equao de Ergun, conforme (Equao 4).

(Equao 4) onde:

umf - Velocidade de mnima fluidizao

f - Densidade do fludo

p - Densidade da partcula

g - Acelerao da gravidade

29

Na medida que se aumenta a velocidade do gs aps o ponto de fluidizao,

a perda de carga tende a estabilizar e ocorre a fase de expanso do leito. Segundo

Foust (1982), o leito se expande, algumas vezes, at 2,5 vezes o tamanho inicial. No

projeto de um leito fluidizado, o engenheiro deve prever no apenas esta expanso,

mas tambm prover um espao adequado acima do leito para que haja a separao

conveniente entre o solido e o fluido.

O tamanho de partculas que podem fluidizar varia amplamente entre

granulometrias menores que 1m at 6cm, e a velocidade ascendente do gs para

atingir a condio de fluidizao encontra-se geralmente entre 0,15 e 6m.s-1. Esta

velocidade baseada no fluxo atravs do vaso vazio e denominada velocidade

superficial. (PERRY,1950). Com o aumento da velocidade do gs ascendente, tende

a mudar a forma de fluidizao em que o leito est submetido, conforme mostra a

Figura 7.

Figura 7 - Diferentes regimes de fluidizao em funo do acrscimo da velocidade do gs.

Fonte: Moraes (2011)

No caso da fluidizao de slidos com gs, a formao de bolhas ao longo do

leito geralmente observada. Nas regies sem bolhas, a porosidade praticamente

igual da condio de fluidizao incipiente. A fluidizao com bolhas tem diferentes

denominaes, porm a mais usual bubbling fluidization ou fluidizao

30

borbulhante. Segundo Moraes (2011), o que provoca o surgimento das bolhas o

excesso de ar, alm do necessrio para mnima fluidizao. Estas, aumentam de

tamanho ao longo do leito pelo fenmeno de coalescncia de bolhas menores, e

estouram na superfcie do leito. Em reatores com leito fundo e dimetro de vaso

reduzido, um regime denominado pistonado ou slug flow pode ser observado, este

regime deriva da fluidizao borbulhante. Neste caso especfico, as bolhas formadas

alcanam o dimetro do vaso que envolve o leito, arrastando uma quantidade

aprecivel de partculas em um fluxo pistonado.

Moraes (2011) ainda afirma que, com o aumento da velocidade do gs

ascendente, atinge-se o regime de fluidizao denominado turbulento, que surge

logo aps o borbulhante. Este, caracterizado por maiores oscilaes de presso

no leito e substituio nos padres de bolhas por vazios irregulares. Na sequncia,

tem-se o regime de fluidizao rpida, que acontece quando o gs de fluidizao

ultrapassa a velocidade terminal de queda livre das partculas. Formam-se

aglomerados de partculas que so completamente arrastados no reator. O ltimo

estgio o de transporte pneumtico, onde o escoamento uniformizado e todo o

particulado rapidamente arrastado do reator pelo fluxo de gases.

Um estudo realizado por Silva (2011) fornece algumas correlaes listadas

pela literatura (Grewal e Saxena, 1980; Gauthier et al., 1999, Lin et al., 2002; Oka,

2004; Subramani et al., 2007) para o clculo da velocidade mnima de fluidizao

para partculas homogneas numa ampla faixa de tamanhos e nmero de Reynolds.

As equaes baseiam-se no nmero de Arquimedes (Ar) e de Reynolds na condio

mnima de fluidizao (Remf). As correlaes constam no Quadro 1.

(Equao 5)

(Equao 6)

onde:

umf - Velocidade de mnima fluidizao

f - Densidade do fludo

p - Densidade da partcula

31

g - Acelerao da gravidade

Dp - Dimetro das partculas

- Viscosidade do gs de alimentao

Quadro 1 - Modelos propostos para clculo de Reynolds mnimo de fluidizao.

Fonte: Silva (2011)

Levenspiel & Kunii (1991) afirmam que as vantagens que os leitos fluidizados

apresentam, incluem:

Comportamento isotrmico das partculas devido rpida mistura de

slidos por todo reator, permitindo que a operao seja controlada de

forma simples e em tempo real;

Por este fato, apresenta uma grande resistncia mudana de

temperatura. Responde de maneira no imediata s mudanas

repentinas nas condies operatrias;

Permite a remoo do excesso de cinzas do reator durante a operao;

32

Comparadas a outros tipos de reatores, as taxas de transferncia de

massa e calor entre as partculas so mais elevadas;

No so necessrias grandes reas superficiais das partculas uma vez

que a transferncia de calor daquelas imersas no leito so muito

elevadas.

Os autores ainda ressaltam as desvantagens do processo, entre estas:

Para reatores de leito fluidizado que operam com partculas finas no

leito, ocorre uma mudana nas condies de fluidizao normais,

ocasionando uma ineficincia de contato entre as partculas e

combustvel;

Devido rpida mistura, o tempo de reteno no reator no o mesmo

para todas as partculas. Para minimizar os problemas ocasionados

pela variao de tempo de deteno, alguns reatores de leito fluidizado

apresentam recirculao;

Partculas de combustvel ou de inertes muito pequenas, podem ser

arrastadas pelo escoamento gasoso, prejudicando tanto a produo

seguinte do processo, quanto contribuindo para as emisses gasosas.

Uma forma de minimizar esse problema utilizando ciclones industriais

para abatimento de particulados;

Problemas de eroso e abraso provocados pelo atrito entre as

partculas do leito podem provocar srios problemas aos componentes

do reator.

A esfericidade uma das maneiras mais utilizadas para expressar a forma de

uma partcula individual. Esta propriedade independe do tamanho de partcula e tem

grande influncia na hidrodinmica de uma partcula. definida pela razo entre a

rea superficial de uma esfera de mesmo volume da partcula pela rea superficial

da partcula. Para partculas perfeitamente esfricas, a esfericidade igual a 1, e

para as demais formas sempre menor que 1 (REINA, 2000 apud SILVA, 2011).

Alguns valores de esfericidade para materiais usuais encontram-se na Quadro 2.

33

(Equao 7)

Quadro 2 - Valores de esfericidade para alguns materiais

FONTE: Oka (2004) adaptado por Silva (2011)

2.3.1 Fornalhas de leito fluidizado

So fornalhas que utilizam os princpios da fluidizao para gerao e

aproveitamento do calor. A caracterstica fundamental de um combustor do tipo leito

fluidizado a versatilidade com relao ao tipo de combustvel, contedo de

umidade, cinzas e dimenses das partculas, consequncia de uma alta taxa de

transferncia de calor e massa provida pela movimentao do leito. A parte slida do

leito constituda basicamente por inertes (geralmente areia) e as partculas de

combustvel (CORTEZ, LORA e GOMEZ, 2014). Segundo os autores, as fornalhas

de leito so classificadas das seguintes formas:

Convencional - O combustvel queimado num leito de altura definida dentro

do qual geralmente se colocam feixes de tubos, o que permite o controle da

temperatura de combusto, evitando fuso das cinzas do combustvel;

Recirculante - A velocidade do ar muito maior que a do transporte

pneumtico, o que provoca o arraste das partculas de combustvel e do

material inerte. Separadores ciclnicos na sada da fornalha reintegram os

mesmos no leito para que a combusto seja concluda.

34

2.3.1.1 Combustvel para caldeira de leito fluidizado

Leito fluidizado circulante uma tecnologia largamente conhecida e utilizada

mundialmente para a queima de carves e outros materiais carbonosos com

elevados teores de cinza e enxofre (Miller, 2005 apud Weiler, Amaral Filho e

Schneider. 2014). Segundo Anthony (1995, apud Cheriaf et al., 2002) trabalhos

importantes foram realizados na Austrila (Csiro), no Canad (Canmet), no Japo

(Hitachi Babcock e na frica do Sul (Enertek e Eskom) com finalidade de demonstrar

a exequibilidade de utilizar rejeitos provenientes do beneficiamento do carvo para

caldeira de leito fluidizado. Destaca ainda, que a Frana possui a mais importante

unidade, a usina de Emile Huchet, operando com 125MW em Lorraine.

Atravs da combusto de carves com altos teores de cinzas e rejeitos de

carvo possvel obter uma considervel eficincia energtica utilizando leito

fluidizado. Ainda, atravs da co-combusto de rejeitos de carvo ou outros rejeitos

com considervel teor de carbono, com carvo de qualidade melhor possvel

atingir uma boa performance de queima e ainda assim, reduzir a quantidade de

resduos slidos sem aproveitamento que so gerados por atividades industriais

(WEILER, FILHO e SCHNEIDER, 2014).

2.3.2 Tecnologias de queima conjunta de biomassa e carvo

2.3.2.1 Coqueima

A coqueima, tambm conhecida pelo termo cofiring consiste na substituio

parcial do combustvel fssil utilizado em uma planta de gerao de energia eltrica

ou industrial por potenciais combustveis renovveis, em geral biomassa (BAZZO

et.al., 2008). Pela constituio qumica da mesma, ao substituir parcialmente um

combustvel fssil, como por exemplo, o carvo, espera-se uma menor emisso de

CO2, bem como xidos de enxofre. Segundo Tomalsquin (2016), pode-se elencar os

seguintes benefcios da coqueima:

Reduo das emisses por unidade de energia produzida, no s de

CO2, mas tambm de gases poluentes (SOx, NOx, entre outros);

35

Minimizao de desperdcios, especialmente em funo do possvel

uso de resduos da agricultura com potencial energtico; e

Menor gerao de resduos, j que a produo de cinzas da biomassa

bastante inferior do carvo.

Devido diferena da composio qumica entre os combustveis da

coqueima, necessita-se um desenvolvimento de estudo e projeto de um sistema

especfico para viabiliz-la em uma usina projetada originalmente para queima

exclusiva de carvo mineral (BAZZO et.al, 2008). Os custos associados s eventuais

adaptaes destas unidades, como sistema de alimentao do combustvel ou de

tratamento de gases representam custos relativamente pequenos quando

comparados aos necessrios para a implantao de uma nova planta, tornando a

adoo da coqueima economicamente vivel (TOMALSQUIN, 2016).

No Brasil, ainda no existe nenhuma planta de coqueima funcionando em

carter comercial, devido s adaptaes e estudos necessrios. Um projeto de P&D

ANEEL Tractebel Energia/UFSC, cujo objetivo a utilizao da palha de arroz em

processo de coqueima com carvo pulverizado est sendo realizado em uma usina

existente no Complexo Termoeltrico Jorge Lacerda (SC) (TOMALSQUIN, 2016).

2.3.2.2 Combustvel formulado

Uma das formas de viabilizar o reaproveitamento de diferentes tipologias de

resduos de biomassa e carvo mineral a sua mistura e formulao para obteno

de caractersticas fsico-qumicas e tecnolgicas que atendam s especificaes dos

equipamentos trmicos, regulamentos tcnicos e legislaes ambientais pertinentes.

As tecnologias utilizadas para obteno destes combustveis que atendam

estas caractersticas envolvem mtodos de mistura e granulao de seus

constituintes e de modo a obter uma homogeneidade nas suas propriedades que o

caracterizam e o garantam como um combustvel padronizado em termos de: Poder

calorfico, granulometria, matria voltil, enxofre, carbono, hidrognio entre outros.

2.3.2.2.1 Granulao de partculas

Segundo Perry e Chilton (1950), a granulao de partculas consiste em um

processo em que partculas pequenas, diante de condies ideais, ganham massa

36

permanentemente, bem como aumentam de tamanho, e ainda assim, pode-se

identificar a presena das partculas originais no produto. Para tal fato, o termo

engloba uma variedade de operaes unitrias e tcnicas de processamento para

atingir a aglomerao de partculas.

Aglomerao consiste na formao de um agregado de partculas atravs do

contato entre as partculas de alimentao e de reciclo. Os principais fatores que

causam a aglomerao so: agitao e compresso (PERRY e CHILTON, 1950).

2.3.2.2.1.1 Granulao via mida

Via mida um processo importante de aglomerao de partculas que

converte ps finos, que so notavelmente de difcil manuseio, a um material granular

com uma melhoria nas caractersticas de escoamento e propriedades mecnicas de

compresso mais controlveis (TRAN, 2015 p.25). Uma vez que o grnulo um

aglomerado de ps, de estrutura consistente, uma reduo nos nveis de ps nas

condies de processo reduz a chance de exploso e melhora os atributos do

produto devido limitao da segregao granular (IVENSON et al., 2001 apud

TRAN, 2015).

Segundo Bernardes (2006), a granulao mida envolve a aplicao de um

lquido sobre o p, ou uma mistura de ps, resultando em uma massa mida ou em

grnulos com uma adequada umidade. O lquido usado na granulao deve ser

compatvel com a formulao e no deve ser txico, alm de que deve ser voltil o

suficiente para no dificultar a secagem e evitar o aumento de custos da formulao

proposta.

Conforme Le Hir (1997 apud COUTO; GONZLES e ORTEGA, 2000) o

granulado apresenta algumas vantagens em relao a uma mistura de ps, entre

estas so citadas:

Homogeneizao dos componentes da mistura;

Maior densidade;

Melhoria nas caractersticas de escoamento;

Maior reprodutibilidade em medies volumtricas;

Maior compressibilidade; e

Resistncia mecnica superior.

37

A granulao ocorre quando um leito de partculas slidas movimentado,

simultaneamente com agitao intensiva e presena de uma fase lquida. Essa

movimentao gera colises e partculas individuais coalescem e aglomeram juntas

(WALKER, 2007 p.220).

As partculas tendem a permanecer juntas devido s foras adesivas.

Particularmente, as pequenas que tm uma grande razo entre rea de superfcie e

massa. Se a massa submetida vibrao, h possibilidades de partculas

menores penetrarem entre os interstcios das maiores acrescendo a rea de contato

e adeso da massa original. Os trs mecanismos principais de granulao so:

umidificao e nucleao, consolidao e coalescncia, atrito e quebra (ENIIS e

LITSTER 1997, apud. TRAM, 2015). Conforme mostra a Figura 8.

Figura 8 - Mecanismos de granulao

Fonte: Eniis e Litster 1997, apud Tram 2015 (adaptado pelo autor)

2.3.2.2.1.2 Umidificao e Nucleao

Segundo Hapgood et al. (2007) o primeiro estgio em qualquer processo de

granulao mida consiste na distribuio do liquido por toda a alimentao de ps.

(i) umidificao e nucleao

(ii) consolidao e coalescncia

(iii) atrito e quebra

38

Uma distribuio falha do liquido umidificante leva a uma ampla distribuio

granulomtrica, e em casos extremos, o excesso de umidade leva no granulao

do material.

A granulao comea com a adeso de partculas atravs das pontes

liquidas, condicionadas pela umidificao, e ento vrias partculas se unem para

formao do estgio pendular. Com posterior agitao e consequente aumento da

densidade aparente, o estgio capilar alcanado, e esses corpos agem como

ncleos, favorecendo o crescimento do grnulo (BERNARDES, 2006).

O tamanho da gota do umidificante um parmetro importante, sendo a

asperso o melhor mtodo de umidificao para a maioria dos casos. Hapgood et al.

(2007) afirma que quanto menor o tamanho da gota comparado ao tamanho de

partcula, maior a tendncia que o lquido apresenta para formar uma espcie de

coating na partcula (termo ingls utilizado para cobertura superficial), espalhando

assim, o liquido pela superfcie do corpo. Devido porosidade da partcula, a gua

sugada para dentro dos poros por efeito de capilaridade (SIMONS e

FAIRBROTHER, 2000 apud SALEH e GUIGON, 2007) e a resistncia mecnica do

grnulo em estgio capilar tende a aumentar cerca de trs vezes mais quando

comparada ao pendular (BERNARDES, 2006).

Nucleao com gotas relativamente pequenas de ligantes vai ocorrer devido distribuio superficial de forma adequada nas partculas, o que vai permitir a coalescncia do corpo mido com um provvel choque a um corpo seco. (SALEH e GUIGON, 2007 p. 329).

O coating de partculas slidas depende de duas condies. A primeira que

as partculas devem estar muito bem misturadas e a segunda, que o agente de

coating deve ser aplicado ao leito de partculas de maneira e forma adequadas.

(SALEH e GUIGON, 2007).

2.3.2.2.1.3 Estgio Pendular

Bernardes (2006) afirma que o estgio pendular ocorre devido s foras

interfaciais, atravs de pontes lquidas em condies onde pouca umidade foi

adicionada ao processo. Neste estgio, as partculas ligam-se atravs das pontes

em forma de anel. Pontes lquidas so formadas nos pontos de contato entre os

39

gros e as foras coesivas agem atravs das interaes destas pontes (MITARAI e

NORI, 2006).

As foras coesivas agem sobre um conjunto de esferas quando uma camada

lquida adicionada e homogeneizada junto a uma mistura de ps, de tal forma que

se cria uma camada fina de lquido ao redor do slido, diminuindo a distncia entre

as duas esferas e estimulando as ligaes qumicas entre as interfaces lquidas. Isto

acontece, quando a umidade adsorvida pelos grnulos, onde ento, a coeso

entre eles proveniente das ligaes de Van der Waals (BERNARDES, 2006).

Segundo Mitarai e Nori, coeso no processo de granulao via mida provm

da tenso superficial e dos efeitos de capilaridade do lquido. Em uma interface

lquido-ar, o diferencial de presso existente no menisco formado (P) dado pela

equao de Young Laplace (Equao 8):

(Equao 8)

onde:

- Presso do ar na interface;

- Presso do liquido na interface;

e - raios das curvaturas dos meniscos formados; e

- tenso superficial entre o ar e o lquido;

Uma anlise do P indica o fenmeno que est acontecendo na interface.

Quando o P > 0 indica suco de gua para o interior do gro, uma vez que, um P

positivo remete a uma maior presso do ar sobre a esfera, provocando um

diferencial de presso no interior do grnulo, evidenciando o fenmeno de suco.

O mecanismo de atrao entre duas esferas cobertas por uma fina camada

mida resultado da coeso induzida pelas ligaes de Van der Wals existentes

nas interaes lquido-lquido do estgio pendular. A fora atrativa entre duas

esferas idnticas pelo menisco lquido formado na interface, demonstrada na Figura

9 e (Equao 9), mostra a fora de ligao da ponte lquida, onde o diferencial de

presso provm de Young-Laplace (MITARAI E NORI, 2006).

A fora da interao liquida provm da somatria das tenses superficiais

provenientes da umidificao. A formao de pontes lquidas nem sempre consegue

40

descrever como funciona a interao, mas quando se adiciona umidade ao leito de

ps, a suco e ento as foras coesivas agem na maioria dos casos (MITARAI e

NORI, 2006).

Figura 9 - Interao entre pontes lquidas de esferas semelhantes

Fonte: Mittari e Nori, 2006.

(Equao 9) 2.3.2.2.1.4 Estgio Funicular

Conforme Perry e Chilton (1950), o estgio intermedirio entre o pendular e o

capilar denominado estgio funicular, caracterizado pela transio do incio da

umidificao at a suco parcial da gua da superfcie do grnulo. Estruturalmente,

os poros na fase funicular esto preenchidos, alguns, com gua, outros com o ar

que penetra nos interstcios da estrutura, onde h um misto de pontes slidas e

lquidas que no garantem as resistncias mecnicas caractersticas do estgio

capilar.

2.3.2.2.1.5 Estgio Capilar

Conforme Bernardes (2006), o estgio capilar pode ser medido conforme o

contedo de umidade do grnulo, mas possvel tambm, atingi-lo atravs da

diminuio das distncias das superfcies de contato entre duas esferas.

41

Na granulao via mida, durante o processo de agitao, a intensidade e a continuidade da homogeneizao das matrias primas de um material, originalmente no estgio pendular, pode provocar o aumento de densidade devido a diminuio do volume dos poros ocupados por ar, e eventualmente, atingindo-se o estgio funicular ou mesmo capilar, sem que haja necessidade de adio de lquido. (Bernardes, 2006, p.18)

Neste estgio, os espaos entre as partculas esto preenchidos com lquido

(quando o mesmo atingido atravs da umidificao), todavia, no h mais uma

camada fina na superfcie do grnulo, pois a mesma, por capilaridade, penetra os

poros do gro, saturando-o completamente (MITARAI e NORI, 2006). A Figura 10

mostra os estgios de granulao atingidos durante o processo via mida.

Figura 10 - Estgios da granulao via mida.

Fonte: GranTec Tecnologias apud Bernardes (2006).

2.3.3 Equipamentos de granulao

Segundo Reynolds e Nilpawar (2012) existem quatro tipos diferentes de

granulao via mida acompanhada de agitao: os granuladores do tipo cascata,

do tipo panela ou disco, granuladores de leito fluidizado e os granuladores com

agitao. Este ltimo tambm chamado de agitador de cisalhamento intensivo ou

de mistura intensiva. O granulador de mistura intensiva, quando comparado aos

demais, apresenta algumas vantagens que so primordiais para o desenvolvimento

do combustvel proposto. ideal para processar materiais midos e pastosos e so

menos sensitivos operacionalmente do que os do tipo cascata. Alm disso, o

sistema de agitao, tanto das ps quanto do tambor, torna possvel uma

distribuio homognea do ligante em meio formulao a ser preparada.

42

O grnulo deve ser denso e resistente, ou seja, a estrutura interna deve

apresentar poucos poros. Os misturadores intensivos tm capacidade para produzir

grnulos com dimetros inferiores a 2 mm e de alta densidade devido

homogeneizao (PERRY e CHILTON, 1950), compatvel com a distribuio de

partcula de um leito fluidizado tpico de combusto de carvo mineral CE4500, foco

de queima do processo.

Granuladores de mistura intensiva so capazes de agitar vigorosamente a

mistura de ps para gerar um gro de alta densidade (REYNOLDS E NILPAWAR,

2007). So amplamente utilizados em indstrias farmacuticas, agroqumicas e de

detergente, por serem aptos a granular formulaes consideradas difceis de

aglomerar. As ps giram entre 100 a 1500 rpm para agitao necessria.

2.4 PROCESSOS DE REMOO DAS EMISSES DE ENXOFRE

So trs as normas que regulamentam a emisso de poluentes atmosfricos

provenientes de fonte fixa em vigor no Brasil.

A resoluo do Conama n. 08/1990 estabelece limite de emisso de

poluentes no ar para combusto externa de fontes fixas de poluio que utilizam

leo ou carvo mineral como combustvel (BRASIL, 1990).

Combusto externa definida como o processo de queima realizado em

qualquer forno ou caldeira cujos produtos da combusto no entram em contato com

o material ou produto processado (BARROS et al., 2004). Neste sentido, a j citada

resoluo esclarece que processo de combusto externa em fontes fixas toda

queima de combustveis realizada nos seguintes equipamentos: caldeiras, geradores

de vapor, centrais para gerao de energia eltrica, fornos, fornalhas, estufas e

secadores para a gerao de energia trmica, incineradores e gaseificadores

(BRASIL, 1990).

Mais recentemente, o Conselho Nacional de Meio Ambiente estabeleceu

como forma de controle de poluio atmosfrica industrial, outras duas resolues:

382/2007 e 436/2007. Estas resolues fixam limites de poluentes para fontes fixas,

porm diferente da resoluo anterior, nestas os limites de poluentes so

estabelecidos por tipologia industrial, como siderrgica, cimenteiras, papel e

43

celulose, entre outras. Assim, no so todas as atividades industriais que so

regulamentadas pelos dispositivos legais mais recentes, a exemplo da indstria

cermica.

Desta forma, a utilizao de carvo mineral ou seus subprodutos como

combustvel em fornalhas deve seguir os limites impostos pela resoluo n. 08/1990,

e estes so definidos em funo da potncia nominal da fonte.

Para fontes fixas com potncia nominal de at 70MW, o limite de emisso de

SO2 de 5.000 gramas por milho de quilocalorias, enquanto que para fontes com

capacidade nominal acima de 70MW, o limite de 2.000 gramas por milho de

quilocalorias (BRASIL, 1990). Alm do dixido de enxofre, esta resoluo fixa

tambm limites para emisso de material particulado e estabelece padres para a

densidade colorimtrica dos gases emitidos.

2.4.1 Dessulfurao

Pode-se afirmar que os limites das emisses de enxofre devero se tornar

cada vez mais restritivos devido presso ambiental imposta pelos rgos

fiscalizadores. Desta forma, os geradores de energia devem optar pelo investimento

em tecnologias limpas atravs da combusto, ou aprimorar os tratamentos de

dessulfurao para as termoeltricas mais antigas (CASTELLAN, CHAZAN E VILA,

2003), seja a mido ou a seco, uma vez que, a dessulfurao aplicada tecnologia

de queima atual j est consolidada no mercado energtico.

Segundo Bragana (1996) pode-se dividir as principais tecnologias existentes

no controle de emisses de NOx e SOx (dessulfurao) em quatro grupos, so eles:

Mudanas nos combustveis;

Dessulfurao mida do gs de combusto;

Combusto em leito fluidizado e sistema de injeo de sorbente em fornalha e

dutos para NOx e SOx;, e

Processos avanados que incluem reduo cataltica seletiva e remoo

simultnea de SO2, NOx e particulados.

44

2.4.1.1 Dessulfurao via mida do gs de combusto

A dessulfurao por via mida do gs uma tecnologia largamente

empregada no mundo todo para controle da emisso de SOx, onde ocorre a

neutralizao, por meio qumico, baseada na injeo de reagentes bsicos como

magnsio, amnia e clcio, principalmente o calcrio. Cabe ressaltar que o processo

qumico utilizando materiais calcrios o mais utilizado no mundo (TISSOT E

MISSEL, 2011). Segundo Chazan, Castellan e Avila (2003) esta escolha mundial

explicada basicamente pela elevada confiabilidade e desempenho do processo

calcrio/gesso e da alta disponibilidade do calcrio, bem como um mercado

relativamente grande para comercializao do gesso.

No sistema convencional de dessulfurao por via mida, o tratamento dos

gases de combusto realizado aps o abatimento do material particulado em filtros

de mangas ou precipitadores eletroestticos. O gs sulfuroso introduzido em uma

torre de absoro (dessulfurador) onde submetido a um ntimo contato com a

soluo aquosa concentrada de clcio. A absoro dos gases de SOx pelo calcrio,

forma sulfitos e sulfatos de clcio, que so submetidos desumidificao e seguem

para a sedimentao em espessador (CHAZAN, CASTELLAN E AVILLA, 2003).

O processo de dessulfurao via mida por lama de calcrio (soluo 10 a

15% de CaCO3) apresenta alta eficincia na remoo de SO2 remanescente do

processo de combusto de combustveis de potencial emisso. Na Usina

Termoeltrica de Charqueadas, atravs de uma operao de tratamento de gases

nomeada de DESOX h reduo de 95% das emisses de dixido de enxofre

(TISSOT e MISSIL, 2011) e, nos sistemas de tratamento via mida nas usinas de

Candiotta, os lavadores apresentam eficincia oscilando entre 90 e 95% (CHAZAN,

CASTELLAN, e AVILLA, 2003). As reaes parciais de absoro e oxidao do SO2

no processo so:

SO2 + H2O H2SO3

CaCO3 + H2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O

CaSO3 + O2 + 2H2O CaSO4.2H2O

Segundo Chazan, Castellan e Avilla (2003), os estudos realizados em

Candiota possibilitam afirmar que o processo via mida requer maior rea para sua

45

instalao e apresenta custo de investimento relativamente elevado, sendo

recomendado para termoeltricas de grande porte. Alm disso, no tratamento via

mida h necessidade de gua, ocorre a gerao de efluente e consequentemente,

requer o tratamento complementar deste efluente.

2.4.1.2 Dessulfurao via seca por injeo de calcrio

A relao molar Ca/S um fator importante na comparao dos mtodos de

dessulfurao. Neste caso, para abatimento de 90 a 95% das emisses de dixido

de enxofre no processo, esta relao aproximadamente estequiomtrica,

diferenciando-se dos casos de tratamento in situ (injeo de calcrio no leito de

combusto (BRAGANA, 1996)).

No processo de injeo direta na cmara de combusto da caldeira, o calcrio

injetado na condio de pulverizado na regio superior da fornalha. Fatores como

temperatura, tempo de residncia, condies de disposio do agente dessulfurante

alm da granulometria e rea especfica do absorvente so fatores determinantes

para o rendimento da dessulfurao. O estudo realizado em Candiotta, afirma que a

eficincia no deve superar a 50% quando se emprega a razo molar Ca/S da

ordem de 2 (CHAZAN, CASTELLAN e AVILLA, 2003).

J Samaniego (2011) indica que usual a alimentao de at 5 vezes mais

clcio em relao ao enxofre alimentado no carvo, justificando o excesso pelo

bloqueio de poros pelo sulfato de clcio, produto da sulfatao, que ocorre na

superfcie do absorvente, dificultando o contato do gs sulfuroso com o clcio que se

encontra mais prximo do ncleo do calcrio. As reaes fundamentais envolvidas

neste processo so:

CaCO3 CaO + CO2

CaO + SO2 CaSO3

CaSO3 + O2 CaSO4

No entanto, conforme Samaniego (2011) a reao de calcinao do CaCO3

para formao de CaO endotrmica, absorvendo -183 kJ/gmol de calor do leito.

46

Desta forma, com objetivo de abater as emisses de dixido de enxofre no leito, a

utilizao do agente neutralizante de clcio proporciona tambm uma absoro de

calor do leito. A fim de evitar perdas significativas, deve-se efetuar um estudo das

relaes timas de Ca/S para cada caso.

47

3 METODOLOGIA

As atividades desenvolvidas neste estudo visam o atendimento s

especificaes de queima em fornalhas de leito fluidizado borbulhante atmosfrico

que utilizam como combustvel o carvo mineral.

As fornalhas de leito fluidizado (FLF) que utilizam carvo mineral instaladas

nas cermicas de revestimento da regio sul do estado de Santa Catarina foram

utilizadas como referncia para o estudo.

Estes equipamentos so utilizados no processo de secagem da massa

cermica em spray dryers que exigem um padro de gerao de calor constante,

com faixas de temperaturas e volume de gases quentes muito restritos.

Variaes nas condies trmicas no processo de gerao de calor

ocasionadas pela falta de padronizao do combustvel so indesejveis para a

qualidade e produtividade do processamento da massa cermica.

Neste sentido a metodologia adotada busca elaborar um combustvel que

reaproveite os resduos de biomassa e carvo mineral, que apresente propriedades

dessulfurantes e que atenda s especificaes de queima em fornalhas de leito

fluidizado borbulhante atmosfricas com capacidade de at 7,5 Gcal por hora

utilizando carvo mineral com poder calorfico superior de 4.000 a 4.200 kcal por kg

(informao tcnica obtida junto ao fabricante do equipamento Industrial

Conventos SA.)

3.1 CARACTERIZAO DOS RESDUOS E DO COMBUSTVEL PROPOSTO

Para viabilizar o estudo foi necessrio estabelecer alguns critrios que

nortearam a seleo dos resduos. Em comum, tanto o resduo de biomassa quanto

o rejeito de carvo tiveram os seguintes critrios: disponibilidade num raio

econmico de at 100 km em relao ao polo cermico sul de SC; facilidade de

secagem quando expostos ao tempo e/ou quando submetidos secagem artificial;

teor de enxofre, custo do material e de transporte.

48

Alm desses, estabeleceu-se como critrio de seleo para o resduo de

biomassa: poder calorfico maior que 2.500 kcal/kg e granulometria menor que 1mm

e/ou facilidade de cominuio at granulometria desejada.

Para o rejeito de carvo ficou definido que deveria apresentar poder calorfico

maior que 2.000 kcal/kg e granulometria menor que 0,25 mm e/ou facilidade de

cominuio at granulometria desejada.

Para caracterizao dos resduos que constituem a formulao do

combustvel, consideram-se os seguintes parmetros:

Anlise imediata: PCS, Umidade, S, MV, e CZ

Anlise de propriedades fsicas: densidade, granulometria

O rejeito de carvo foi cedido pela Carbonfera Metropolitana, sendo que para

a composio do combustvel proposto foram utilizados o rejeito gerado no sistema

de flotao do minrio (torta de flotado) e o rejeito gerado na etapa de clarificao do

efluente do beneficiamento (torta da bacia de finos). A Figura 11 apresenta o

esquema da obteno destes rejeitos.

Figura 11 - Diagrama esquemtico do processo de beneficiamento do carvo mineral.

Fonte: autor (2016).

49

Como fonte de biomassa selecionou-se os resduos gerados em madeireiras,

sendo obtido para o presente estudo o p de serra de uma indstria localizada no

municpio de Siderpolis (SC), distante aproximadamente 12km da Carbonfera

Metropolitana.

A anlise imediata dos componentes do combustvel proposto e do carvo de

referncia foram realizadas no laboratrio da Carbonfera Metropolitana e tiveram

como mtodo analtico aqueles recomendados pelas normas da ABNT NBR,

conforme apresentado no Quadro 3.

Quadro 3 Normas tcnicas utilizadas como referncia para a caracterizao do carvo de referncia, dos componentes da formulao e do combustvel proposto.

Parmetro analtico Norma tcnica adotada

Umidade (%) NBR 8293

Teor de cinzas (%) NBR 8289

Enxofre (%) NBR 8295

Carbono fixo (%) NBR 8299

Matria voltil (%) NBR 8290

Poder calorfico superior e inferior (kcal/kg) NBR 8628

Fonte: autor

Estas anlises foram realizadas no carvo referncia; nas duas fraes de

rejeito de carvo (finos do flotado e torta do filtro prensa); resduo de biomassa (p

de serra); em trs formulaes do combustvel proposto contendo calcrio; na

formulao do combustvel sem calcrio (branco) e no calcrio (reagente

dessulfurante).

3.2 ELABORAO DO COMBUSTVEL PROPOSTO

A granulao foi a tcnica selecionada para elaborao do combustvel, uma

vez que se faz necessrio a obteno de uma mistura homognea e no segregada

dos materiais que comporo o novo combustvel possibilitando o seu uso no

processo de queima em leito fluidizado borbulhante atmosfrico.

Com base nas caractersticas dos resduos, e suas respectivas composies,

realizou-se os clculos a fim de obter um combustvel competitivo com o carvo

mineral e de parmetros semelhantes.

50

Realizou-se a produo laboratorial dos combustveis granulados na empresa

Eirich Industrial LTDA, localizada em Jandira no estado de So Paulo. O

equipamento utilizado foi o granulador intensivo EIRICH, com capacidade

volumtrica de 5L por batelada. Um fluxograma do processo de produo dos

grnulos combustveis demonstrado na Figura 12, que tambm apresenta o

detalhe do granulador.

Figura 12 - Fluxograma de produo do combustvel, com detalhe do granulador utilizado na produo em escala laboratorial.

Fonte: autor

O procedimento de granulao foi realizado em cinco etapas, sendo estas,

intimamente ligadas quantidade de gua adicionada, rotao da p agitadora, e

rotao da cuba. Aps adio dos materiais que constituram o combustvel,

realizou-se as seguintes etapas:

1. Agitao intensiva: Liga-se o agitador em alta rotao para mistura

homognea e adiciona-se gua at se observar a aproximao das partculas.

Definiu-se experimentalmente que a quantidade de gua adicionada nesta etapa

de 350mL. Durante a agitao intensiva, a cuba permanece desligada, funcionando

Biomassa Rejeito de carvo Calcrio

P de serra Finos Flotado

Torta FiltroPrensa

Peneiramento

Granulador

Prato Peletizador

gua

Produto

51

apenas o agitador. Manteve-se agitao durante 30 segundos e frequncia do

agitador de 60 Hz em contracorrente mistura.

2. Aglomerao: Reduziu-se a frequncia da p de agitao para 30 Hz e

acionou-se a agitao de cuba em baixa rotao. O giro da cuba se d contra o

sentido da p. Adicionou-se cerca de 100 mL de gua nesta etapa, onde as

partculas da mistura aproximaram-se atravs de pontes lquidas, prontas para

iniciar a nucleao.

3. Crescimento I Nucleao: Reduziu-se a frequncia da p de agitao

para 20 Hz e permaneceu-se com a cuba em rotao lenta. Adicionou-se

aproximadamente 50mL de gua. Nesta etapa, os aglomerados comeam a crescer

e tomar forma.

4. Crescimento II Granulao: Reduziu-se a frequncia da p de

agitao para 10Hz e permaneceu-se com a mesma rotao de cuba lenta.

Adicionou-se aproximadamente 50mL de gua na mistura. Nesta etapa, os

aglomerados comeam a granular;

5. Crescimento III Crescimento dos grnulos: Permaneceu-se com a

frequncia da p agitadora em 10Hz e aumentou-se a rotao da cuba para alta.

ltima adio de gua, aproximadamente 50mL. Nesta etapa, aumentou-se a

rotao da cuba a fim de melhorar o fluxo do material dentro do recipiente, uma vez

que na condio de aglomerado, sua movimentao limitada. Para melhorar a

conformao dos gros, foi utilizado um prato peletizador (Figura 13).

Figura 13 - Prato peletizador utilizado na elaborao do combustvel

Fonte: autor (2016)

52

Para determinao de umidade dos gros recm formados, utilizou-se o

analisador de umidade, tambm disponibilizado pela Eirich (Figura 14a). Pesou-se

10g do grnulo, ainda mido, e depositou-se na balana. O equipamento ento

realizava o aquecimento da amostra at 95C. O tempo de experimento varia em

funo do teor de umidade da batelada, porm, a faixa mdia variou entre 15 e 30

minutos. A balana, atravs de sinal sonoro, acusa o final da medio.

Aps a determinao da umidade, realizou-se a medio de resistncia

compresso do gro atravs do equipamento da marca Force Gauge modelo PCE-

FM200 (Figura 14b). Para tanto, colocou-se, cuidadosamente, o gro no centro de

medio, e ento, pressionou-se o mesmo at o momento de ruptura da estrutura,

onde o sensor do equipamento indicava o valor do teste de compresso em kgf/cm2.

Figura 14 - Equipamentos utilizados durante a granulao dos combustveis, onde: a) analisador de umidade; b) medidor de resistncia

Fonte: autor (2016)

Para anlise da rea superficial do gro, as amostras foram encaminhadas

para os laboratrios do IPARQUE para anlise de mtodo BET.

3.3 PROPRIEDADES FLUIDODINMICAS DO COMBUSTVEL

Para estudo das caractersticas fluidodinmicas das formulaes elaboradas,

realizou-se um ensaio de fluidizao a frio em experimento de bancada. Os testes

a b

53

foram realizados no CIENTEC Campus Cachoeirinha. O experimento teve como

finalidade a obteno de parmetros como a velocidade mnima de fluidizao

experimental e curva de fluidizao para todas as amostras de gros e tambm,

para o carvo referncia. O Quadro 4 resume as etapas principais dos testes

realizados.

Quadro 4 - Planejamento dos testes fluidodinmicos em unidade piloto de leito frio.

Condio Finalidade Parmetros Escala Variveis

Teste 1 Medir a perda de carga do leito

Presso diferencial (Delta P) antes e depois da placa

0-1500 mmCA

vazo e presso, densidade, viscosidade e temperatura do ar

Teste 2

Medir a perda de carga do leito formado somente pelos combustveis (leito homogneo): Carvo de referncia, Combustvel sem e com agente dessulfurante

Presso diferencial (Delta P) antes e depois do leito descontada a perda de carga da placa

0-1500 mmCA

velocidade mnima de fluidizao, vazo, altura do leito fixo e expandido dos combustveis , temperatura, viscosidade, densidade

Teste 3

Med