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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.