PROPRIEDADES-CARVÃO
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PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DO CARVÃO VEGETAL
1. FRIABILIDADE A friabilidade do carvão vegetal expressa a sua resistência à abrasão e queda,
pois durante todo o processo produtivo, o mesmo sofre uma degradação, gerando os
chamados finos do carvão vegetal. Grande parte desses finos não é utilizada em
processos industriais ou mesmo domésticos, devido à incorporação de impurezas. Os
finos com baixos teores de impurezas são submetidos a processos de aglomeração
(briquetagem) ou são utilizados em processos de injeção direta nas indústrias
siderúrgicas e cimenteiras.
Desde a sua produção até o uso final, o carvão vegetal vai gerando finos em
torno de 25%. Na TABELA 1, observa-se a geração de finos do carvão em todas as
suas etapas produtivas.
TABELA 1. GERAÇÃO DE FINOS (ABAIXO DE 10mm) DO CARVÃO VEGETAL,
DURANTE O PROCESSO PRODUTIVO E MANUSEIO.
ATIVIDADE GERAÇÃO DE FINOS (%) ABAIXO DE 10mm
Na carvoaria 3,7 Carregamento e transporte 5,3 Peneiramento 9,7 Armazenamento 6,3 Total 25
Fonte: OLIVEIRA, 1977. Para se avaliar a geração de finos de um determinado carvão vegetal, existe o
teste de tamboramento, o qual visa simular o manuseio do carvão e
consequentemente, sua maior ou menor friabilidade. É através deste teste que se
pode comparar carvões vegetais de diferentes espécies ou fabricados em diferentes
condições de carbonização. Desta forma pode-se selecionar espécies e processos de
carbonização que originem carvões vegetais menos friáveis.
O teste de tamboramento é realizado no tamborímetro, o qual é submetido a
uma determinada rotação por um determinado período de tempo. Suas dimensões,
número de rotações e velocidade de rotação, variam de acordo com as diferentes
normas existentes para o teste. O teste mede a porcentagem de finos abaixo de uma
determinada granulometria, como por exemplo, 13mm.
Na FIGURA 1, observa-se um modelo de tamborímetro, desenvolvido pelo
CETEC (1.982a), baseado num modelo desenvolvido na Suécia. É constituído por um
tambor de chapa de aço, com 30cm de diâmetro e 25cm de comprimento, com uma
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tampa de 12 x 22cm. Este tambor é acoplado a um mecanismo de transmissão que
permite um movimento rotacional em velocidades de 25, 35 e 46 RPM.
FIGURA 1. MODELO DE UM TAMBORÍMETRO. FONTE: CETEC, 1.982a. 1.1 FATORES QUE INFLUENCIAM NA FRIABILIDADE DO CARVÃO VEGETAL 1.1.1 Umidade da madeira Quanto maior for a umidade da madeira, maior será a geração de finos. Isto
pode ser explicado pelo fato de que quanto maior for o teor de umidade da madeira,
maior será a formação de trincas internas no carvão, o que provocará uma maior
geração de finos. Na TABELA 2, um estudo realizado por CETEC, 1.982c com
Eucalyptus grandis, mostra claramente esta tendência.
TABELA 2. GERAÇÃO DE FINOS (%), EM TESTE DE TAMBORAMENTO DE
CARVÃO VEGETAL DE Eucalyptus grandis, EM FUNÇÃO DO TEOR DE UMIDADE DA MADEIRA CARBONIZADA.
TEOR DE UMIDADE
DA MADEIRA (%) % DE FINOS
ABAIXO DE 13mm < 20 11,2
20 - 30 13,5 > 30 15,5
Fonte: CETEC, 1982b
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1.1.2 Temperatura de carbonização A temperatura de carbonização é um fator importantíssimo no que diz respeito
às propriedades físicas e químicas do carvão vegetal. Na TABELA 3, é demonstrado a
influência de três temperaturas finais de carbonização. Observa-se que a geração de
finos aumenta quando a temperatura é modificada de 300 para 500 oC, diminuindo
quando esta aumenta para 700 oC. A explicação para isto é que a 500 oC a perda de
voláteis é maior que a 300 oC e a contração do carvão não acompanha
proporcionalmente esta perda, tornando-o mais poroso e consequentemente mais
friável. Na temperatura de 700 oC, a perda de voláteis é maior ainda, porém, nesta
temperatura, ocorre uma grande contração do carvão, o que o torna menos poroso e
friável.
TABELA 3. VALORES MÉDIOS EM TESTE DE TAMBORAMENTO PARA CARVÃO
PRODUZIDO DE MADEIRA DE Eucalyptus grandis DE MESMA IDADE COM MESMO TEOR DE UMIDADE.
TEMPERATURA DE
CARBONIZAÇÃO (oC) % DE FINOS ABAIXO DE
13mm APÓS O TESTE 300 13,2 500 14,6 700 12,9
Fonte: CETEC, 1.982c 1.1.3 Diâmetro e comprimento da madeira O diâmetro é um fator de grande influência na geração de finos em um determinado carvão. Isto é facilmente explicado pela impermeabilidade do cerne. De modo geral, quanto maior for o diâmetro de uma madeira, maior será a sua quantidade de cerne. Em função da sua maior permeabilidade, o alburno seca rapidamente e o cerne, em função do acúmulo de substâncias dentro das fibras, tem dificuldade em perder umidade. Desta maneira, a pressão de vapor dos gases aumenta no interior das fibras, causando a ruptura das mesmas, desenvolvendo trincas. Pode-se concluir que a não formação do cerne reduz o aparecimento de trincas no carvão. Consequentemente, a utilização de lenhas mais jovens (diâmetros menores), reduz a formação de finos.
No que diz respeito ao comprimento da lenha, quanto maior for este, maior
será a porcentagem de finos de um carvão. Como a perda de umidade da madeira se
dá em maior proporção no sentido longitudinal, o centro da peça terá dificuldades em
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perder umidade. desta forma, as extremidades da peça secarão rapidamente e o
centro da peça ainda estará muito úmido, provocando fortes gradientes de umidade,
os quais causarão maior quantidade de trincas internas no carvão. Na TABELA 4,
observa-se a forte influência do comprimento da madeira na geração de finos. TABELA 4. INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DAS PEÇAS (DIÂMETROS ENTRE 1
E 6cm) NA FORMAÇÃO DE FINOS ABAIXO DE 13mm.
COMPRIMENTO DA PEÇA (cm)
% DE FINOS ABAIXO DE 13mm
22 - 24 8,48 48 - 50 14,24
100 - 160 17,78 Fonte: CETEC, 1.982c 1.1.4 Velocidade de aquecimento A velocidade de aquecimento exerce influência não só na friabilidade, mas em
muitas outras propriedades do carvão, além da influência no rendimento em carvão e
subprodutos.
Em relação à friabilidade, quanto mais rápida for a carbonização, ou seja,
quanto maior for a taxa de aquecimento, mais friável será o carvão. Portanto, o carvão
produzido em retortas (carbonizações mais rápidas) tende a ser bem menos estável
que o carvão produzido em fornos de alvenaria. Na TABELA 5, observa-se a influência
de duas velocidades de carbonização no teor de carbono fixo e na quantidade de finos
gerados.
TABELA 5. INFLUÊNCIA DA TAXA DE AQUECIMENTO NA GERAÇÃO DE FINOS DE
CARVÃO VEGETAL.
TAXA DE AQUECIMENTO (oC)
TEOR DE CARBONO FIXO (%)
% DE FINOS
0,1 78,02 11 3,4 78,51 18
Fonte: CETEC, 1.982c
2. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO A resistência de um carvão vegetal à compressão longitudinal e transversal é
muito importante. Quanto mais resistente for um determinado carvão vegetal, melhor
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será o seu comportamento dentro de um alto forno siderúrgico, quando submetido a
uma carga de compressão. Um carvão com maior resistência, apresenta menor
degradação dentro do forno.
Como na friabilidade, a temperatura final de carbonização também exerce uma
grande influência na resistência à compressão. Da mesma forma, há uma queda de
resistência à compressão entre 300 e 500 oC, em função da maior extração de voláteis
e consequente aumento da porosidade do carvão, pois o mesmo não sofre contrações
significativas. Nesta faixa de temperatura, o número de fibras por unidade de área
permanece constante. Portanto, nesta faixa de temperatura, aumenta a porosidade
sem aumentar o número de fibras por unidade de área, fazendo com que ocorra uma
queda na resistência à compressão. A partir de 500 oC, aumenta a resistência ao
esmagamento, pois começa a ocorrer uma contração significativa nas dimensões do
carvão. Esta contração pode estar relacionada a um possível rearranjo estrutural do
carbono residual (TABELA 5).
O aumento na resistência do carvão vegetal à compressão a partir de 500 oC
pode estar relacionado aos seguintes fatores:
✵ Diminuição radial ➭ aumento do número de fibras por unidade de área.
✵ Rearranjo estrutural do carbono ➭ formando uma estrutura de maior
resistência.
3. DENSIDADE No carvão vegetal a densidade é um fator muito importante, pois é ela que
determina o volume ocupado pelo termo-redutor nos aparelhos de redução e de
gaseificação.
A densidade do carvão vegetal é a metade da densidade do coque siderúrgico,
portanto, seu volume dentro de um alto forno para uma mesma quantidade de carbono
fixo é pelo menos o dobro. Isto faz com que o volume do forno seja menos utilizado
pelo minério de ferro e mais por carvão vegetal. Além disso, em função da menor
densidade, a carga metálica permanece mais tempo dentro do alto forno, diminuindo o
seu rendimento. estes são alguns motivos que fazem com que um carvão vegetal seja
o mais denso possível.
A medição da densidade varia de acordo com a técnica utilizada. Tem-se a
densidade a granel (bulk density), que é o peso do carvão contido em 1m3. Para esta
medida pode-se utilizar uma caixa de 1m3 de peso conhecido. Enchendo-se a caixa
com carvão e pesando-a posteriormente, tem-se a densidade a granel, que para
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carvão vegetal é em média 250 kg/m3. Este método é o mais simples e mais utilizado
pelas siderúrgicas, porém, tem um inconveniente que é o fato de seu valor ser afetado
em função da granulometria do carvão, umidade do carvão e dimensões do recipiente
utilizado na determinação do volume, além daqueles fatores que afetam também a
densidade verdadeira como processo de carbonização (temperatura final e taxa de
aquecimento), madeira de origem, comprimento, diâmetro, etc.
3.1 FATORES QUE INFLUENCIAM NA DENSIDADE 3.1.1 Temperatura final de carbonização Entre 300 e 500 oC ocorre um a perda de massa, devido à liberação de
voláteis, sem entretanto, ocorrer uma redução significativa nas dimensões do carvão.
Portanto, um carvão produzido a 300 oC é mais denso que um carvão produzido a 500
oC. De 500 a 700 oC, ocorre uma maior perda de massa, porém ocorre também, uma
contração bastante significativa nas dimensões do carvão vegetal. Portanto, o efeito
de contração do volume é maior do que o efeito de perda de massa.
3.1.2 Velocidade de aquecimento Quanto mais rápida for uma carbonização, menos denso será o carvão vegetal.
Na TABELA 6, observa-se em duas carbonizações, com velocidades de aquecimento
distintas, que a carbonização rápida (2 horas) gerou um carvão com densidade relativa
aparente bem mais baixa que a do carvão produzido com uma taxa de aquecimento
menor.
TABELA 6. INFLUÊNCIA DO TEMPO E TAXA DE CARBONIZAÇÃO NA DENSIDADE RELATIVA APARENTE DO CARVÃO VEGETAL.
TEMPO DE
CARBONIZAÇÃO
( HORAS)
TAXA DE CARBONIZAÇÃO
(OC/min.)
DENSIDADE RELATIVA APARENTE
TEOR DE CARBONO FIXO
(%)
71 0,1 0,70 78,02 2 3,4 0,46 78,51
4. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CARVÃO VEGETAL
A composição química do carvão vegetal pode ser determinada por pelo menos
duas madeiras: análise química elementar e análise química imediata.
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Na análise química elementar se faz a determinação do carbono, do oxigênio e
do hidrogênio contidos no carvão vegetal. Na análise química imediata se faz a
determinação dos teores de matérias voláteis, carbono fixo, cinzas e umidade.
O efeito da quantidade de carbono fixo num determinado carvão vegetal é
refletido na utilização do forno por volume, ou seja, quanto maior for a quantidade de
carbono fixo, menos volume do forno será ocupado por carvão, sobrando mais volume
para o minério.
Em relação ao teor de cinzas do carvão vegetal, este é muito baixo, não
representando um volume significativo.
Os materiais voláteis têm grande importância, pois a sua eliminação modifica a
estrutura do carvão. Esta modificação estrutural acarreta uma modificação nas
características físicas do carvão vegetal como porosidade, diâmetro médio dos poros,
densidade, etc., aumentando a friabilidade e diminuindo a resistência à compressão, o
que altera o comportamento do carvão dentro do alto forno.
A umidade afeta, entre outros fatores, o volume de carvão utilizado. Quanto
maior for o seu teor, maior será a quantidade de carvão necessária para redução do
ferro. Desta forma, o excesso de carvão ocupa um lugar no forno que poderia ser
utilizado pela carga metálica, diminuindo a produtividade do aparelho de redução. 4.1 ANÁLISE QUÍMICA IMEDIATA A análise química imediata apresentada a seguir é com base na metodologia
descrita pelo U.S. Forestry Products Laboratory (1961).
4.1.1 Preparação da amostra Para a análise ter valor e significado, é necessário se selecionar uma amostra
representativa. A seleção pode ser feita de acordo com o método ASTM para
amostras de carvão (D-271-48; D-346-35). As amostras devem ser secas
normalmente ao ar. Para a determinação do conteúdo de umidade do carvão, a
amostra deve passar por uma tela grosseira no 20 U. S. Standard Sieve. O carvão
utilizado para a amostragem deve ser moído rapidamente (aproximadamente 5
minutos) em moinho com uma tela de 1mm. Deve-se evitar moagens em tempo maior,
com telas mais finas ou facas escuras para não ocorrer excesso de calor, o qual pode
causar a perda de material volátil. Moagens em excesso também produzirão uma
maior quantidade de finas partículas (menores que malha 100, U.S. Standard Sieve).
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Estas pequenas partículas podem ser arrastadas para fora do cadinho durante a
rápida evolução dos gases na determinação da matéria volátil, consequentemente
incorrendo a erros. Partículas de tamanhos maiores também podem resultar em
baixos valores de voláteis. Portanto, partículas maiores que malha no 20 U.S. Standard
Sieve devem ser evitadas. As amostras devem ser estocadas em recipientes bem
vedados e devem ser bem misturadas antes de serem pesadas.
4.1.2 Passos para a análise É importante salientar que as análises devem sempre serem feitas em
duplicata.
Os equipamentos e passos para a análise são os descritos a seguir:
1o ➭ É necessário um forno mufla com controle de temperaturas de 750 + 5 oC e 950 +
5 oC.
2o ➭ Na mufla previamente ligada e com temperatura de 750 oC, coloca-se cadinhos
de porcelana tampados com dimensões de 41mm x 37mm, por 10 minutos. Estes
cadinhos serão utilizados para as análises. Posteriormente, os mesmos devem ser
resfriados em dessecador por 1 hora.
3o ➭ Pesa-se os cadinhos e adiciona-se uma amostra de aproximadamente 1g de
carvão vegetal, determinado em balança analítica.
4o ➭ Para a determinação do conteúdo de umidade, coloca-se as amostras em estufa
a 105 oC por 2 horas. A amostra é considerada seca quando o decréscimo no peso,
em pesagens consecutivas, for de 0,0005g ou menos.
5o Remove-se as amostras da estufa e deixa-se esfriar em dessecador por 1 hora,
pesando-se posteriormente.
6o ➭ Para a determinação dos voláteis, aquece-se a mufla a 950 oC.
7o ➭ Os cadinhos que foram utilizados para as determinações de umidade são
tampados e pré-aquecidos. Para o pré-aquecimento, abre-se a porta da mufla e
coloca-se os cadinhos na borda externa por 2 minutos, onde a temperatura é em torno
de 300 o C. Após isto, coloca-se os cadinhos na borda interna do forno por mais 3
minutos (500 oC).
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8o ➭ Os cadinhos tampados, são removidos para o interior da mufla. Fecha-se a porta
e deixa-os no interior da mufla por 6 minutos. As amostras são vigiadas através de um
pequeno orifício de observação na porta da mufla. Se ocorrem faíscas, os resutados
estarão errados. Se a amostra que faiscou não conferir com os resultados da duplicata
que não faiscou em torno de 0,5%, deve-se repetir a análise.
9o ➭ Os cadinhos são removidos da mufla e colocados em dessecador por 1 hora e
posteriormente pesados.
10o ➭ Para a determinação das cinzas, coloca-se novamente os cadinhos tampados
na mufla a 750 oC por 6 horas.
11o ➭ Os cadinhos são novamente retirados da mufla, deixados em dessecador por 1
hora e pesados.
12o ➭ Resultados:
Perda no peso x 100 a) %Umidade = _____________________________________________
Peso da amostra seca na estufa Os resultados são determinados com uma casa decimal. Valores de umidade para
duplicatas devem concordar dentro de 0,1%.
Perda no peso x 100 b) %Volátil = _____________________________________________
Peso da amostra seca na mufla Os resultados são determinados com uma casa decimal. Valores de umidade para
duplicatas devem concordar dentro de 0,5%.
Peso do resíduo x 100 c) %Cinzas = _____________________________________________
Peso da amostra seca na mufla Os resultados são determinados com uma casa decimal. Valores de umidade para
duplicatas devem concordar dentro de 0,1%.
Todos os resultados, exceto o de umidade são relatados na base seca em
forno.
5. PODER CALORÍFICO
O poder calorífico do carvão vegetal é bem superior ao poder calorífico da
madeira. enquanto que na madeira gira em torno de 4.500 Kcal/Kg na base seca, no
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carvão vegetal pode chegar a 8.000 Kcal/Kg, em função da quantidade de carbono
fixo.
Esta característica do carvão vegetal tem grande importância, principalmente
quando se pretende utiliza-lo como fonte de energia em substituição aos combustíveis
derivados de petróleo.
Como já foi visto anteriormente, a determinação do poder calorífico pode ser
teórica, através da composição química elementar do carvão vegetal ou
experimentalmente, em uma bomba calorimétrica (calorímetro). A determinação
teórica é de pouco uso prático, pois é necessário conhecer-se a composição química
elementar do combustível em questão.
Na bomba calorimétrica, obtém-se poder calorífico superior, sem levar em
conta o calor necessário para vaporizar a água que se forma na combustão do carvão.
descontando-se o calor necessário para vaporizar a água que se forma, obtém-se o
poder calorífico inferior. A água estará em função do teor de hidrogênio no carvão, que
é em torno de 2,5%. Após a determinação do poder calorífico superior, o poder
calorífico inferior é obtido através da seguinte fórmula:
PCI PCS x H= − 600 9100
onde: PCI = Poder calorífico inferior PCS = Poder calorífico superior H = Teor de hidrogênio (para carvão vegetal ➭ 2,5) Portanto, o PCI pode ser determinado pela fórmula:
PCI = PCS - 135
6. REATIVIDADE A reatividade é a capacidade que o carvão vegetal tem de regenerar o poder
redutor do gás, ou ainda, o seu comportamento em reações com gases como O2, CO2,
etc. Como exemplo, pode-se citar a reatividade ao CO2, que é a capacidade de um
carvão reagir com o dióxido de carbono, resultando no monóxido de carbono.
O teste de reatividade do carvão, visa medir a sua capacidade de reação com o dióxido de carbono. Coloca-se uma amostra de carvão num cadinho, o qual é colocado num reator com determinada temperatura estabilizada. Injeta-se CO2 a uma vazão conhecida e mede-se o quanto deste CO2 reagiu com o carvão, através do seu constituinte principal, o carbono.
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7. INFLAMABILIDADE O poder de inflamabilidade do carvão vegetal é diretamente relacionado à sua
densidade e condutividade calorífica, que será maior à medida que a temperatura de
carbonização aumentar.
Os carvões leves, porosos e incompletamente carbonizados, ardem com
chama luminosa, o que é bom. Carvões pesados dão chama curta e depois seguem
ardendo ao ar sem chama. Carvões muito densos ardem com dificuldade e só
continuam ardendo quando estão em contato direto com o fogo ou expostos.
8. HIGROSCOPICIDADE Logicamente, a quantidade de umidade em um determinado carvão vegetal
exerce grande influência no seu rendimento em todos os processos que é utilizado.
Durante os períodos de grande umidade ambiente (chuvas), o carvão absorve
umidade e perde parcialmente quando exposto ao sol, dependendo da umidade
relativa.
Quando o carvão absorve umidade, sua resistência mecânica dentro de um
alto forno diminui em função do rápido aquecimento, o que provoca um choque
térmico no mesmo.
A capacidade de absorção de água de um determinado carvão vegetal varia de
4 a 16% em função da temperatura de carbonização. Quanto maior for esta
temperatura, menor será o poder higroscópico do carvão (TABELA 7).
TABELA 7. VARIAÇÃO DA HIGROSCOPICIDADE DO CARVÃO VEGETAL EM
FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE CARBONIZAÇÃO.
TEMPERATURA DE CARBONIZAÇÃO
(OC)
ABSORÇÃO DE ÁGUA (%)
150 21 250 7 350 6 450 4
1.500 2 Fonte: LUENGO & EMMERICH
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CETEC, Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais. Carvão Vegetal: destilação,
carvoejamento, propriedades, controle de qualidade. Série de Publicações Técnicas SPT-0061. Belo Horizonte, 1982a. 173p.
CETEC, Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais. Produção e Utilização do Carvão Vegetal. Série de Publicações Técnicas SPT-008. Belo Horizonte, 1982b. 393p.
LUENGO, C. A. & EMMERICH, F. Fabricação de Carvão Vegetal. Série Tecnológica Agroindustrial. Governo do Estado de São Paulo. s.d. 81p.
OLIVEIRA, J. C. Análise Econômica do Carvão Vegetal. In: Seminário sobre Carvão Vegetal. Belo Horizonte, BDMG, 29-30. Ago. 1977.
U. S. FOREST PRODUCTS LABORATORY. Charcoal, Production, Marketing and Use. U. S. Departament of Agriculture. Forest Service. 1961, 137p.