Aços & Ligas | Aço: Processos de Fabricação | Processo Siderúrgico

Combustíveis sólidos relevantes para aplicações na indústria siderúrgica: carvão mineral e vegetal. O carvão mineral é encontrado na natureza, ao passo que o carvão vegetal é produzido através da queima da madeira.

Carvões minerais: Origem dos depósitos de carvão: são encontrados nos locais onde no passado remoto havia antigas florestas, como resultado da decomposição da celulose, gerando detritos que foram depositados em bacias sedimentares, que assim foram submetidos aos efeitos da pressão e da temperatura decorrentes do acúmulo destes sedimentos, que levaram à transformação da madeira em diferentes fases até gerar o carvão mineral. Estas etapas de transformação das antigas florestas em carvão mineral são: madeira → turfa → linhito → carvão betuminoso → carvão antracitoso. À medida que a decomposição da celulose progride, aumenta o teor de carbono fixo e diminuem os teores de oxigênio e hidrogênio (água) e de matérias voláteis. As camadas de solo depositadas (argila, cinzas e outros materiais sedimentares) exercem pressão sobre o material inicialmente celulósico e depois ficam disseminadas no carvão mineral formado. A cominuição gera finos, acarretando má utilização e perdas. Quando a argila e o carvão encontram-se em camadas separadas, o teor de cinzas geralmente é mais baixo.

O coque geralmente é fabricado a partir de misturas de carvões, por motivos metalúrgicos (propriedades deste material durante seu uso) e estratégicos (para garantir o abastecimento vindo de fornecedores de regiões diferentes.

Entre os carvões oriundos do Brasil o do Paraná apresenta alto teor de enxofre orgânico, que não é facilmente liberado, como é o caso do enxofre inorgânico (encontrado nos sulfetos de ferro: FeS e Fe2S), o qual é decomposto na forma de gás: H2S e SO2, os quais são utilizados como combustíveis nas reações. O enxofre orgânico está presente na estrutura de hidrocarbonetos do carvão. Entretanto, o melhor tipo de carvão para fabricar coque deve necessariamente apresentar baixo teor de enxofre, sendo portanto mais adequados os carvões de Santa Catarina e do Rio Grande do Sul.

Os carvões aquecidos ao ar apresentam comportamento diferente quanto à sua utilização. Na coqueificação a destilação é realizada sem contato com ar. O carvão de Santa Catarina é mais betuminoso, portanto com alto teor de matérias voláteis, ao passo que o do Rio Grande do Sul é considerado sub-betuminoso, contendo assim baixo teor de matérias voláteis. Geralmente são realizadas análises dos produtos que evoluem em ausência de ar. Os carvões betuminosos amolecem e solidificam novamente durante o aquecimento, ao passo que os carvões sub-betuminosos não sofrem amolecimento (plastificação) e ressolidificação. Assim, a única diferença entre o material que entra e o material que sai são as matérias voláteis (gases e materiais não condensáveis). A plastificação e a ressolidificação provocam expansão e contração, acarretando porosidade e assim afetando a resistência mecânica. Contudo, justamente os carvões que sofrem estas transformações são os que servem para fabricar coque.

O carvão de Santa Catarina é excessivamente plástico, originado um coque muito poroso, uma vez que a evolução excessiva de materiais voláteis reduz muito a resistência mecânica. Não deve ser misturado com o carvão betuminoso do Rio Grande do Sul, porque assim aumenta o teor de cinzas (os carvões nacionais apresentam em média um teor de cinzas em torno de 40 %). Por outro lado, o teor de cinzas do carvão importado (que corresponde a cerca de 85 % da mistura é menor. O carvão do Rio Grande do Sul é queimado em usinas termoelétricas), sendo também utilizado no processo de redução direta: neste caso o carvão sólido é misturado com o minério no forno rotativo.

O carvão vegetal possui teor de cinzas muito menor (4 a 5 %), porém sua resistência mecânica é baixa. Por este motivo, é inviável sua utilização em fornos com grande altura, como é o caso dos altos fornos.. Sua elevada porosidade acarreta alta reatividade e permite uma gaseificação mais rápida e mais fácil. A turfa é um carvão com alto teor de água, acarretando alto consumo de energia, necessária para volatilizá-la. Existem dois tipos de análises de carvão, a progressiva e a elementar.

A concentração dos carvões (lavagem e beneficiamento) é geralmente efetuada em um ciclone de meio denso, que separa o carvão puro do intermediário e este do impuro (o qual apresenta alto teor de cinzas). Num meio denso, contendo muito Fe3O4 (com densidade de cerca de 5g/cm3) o carvão flutua e as cinzas afundam. Este sistema é acoplado com peneiras vibratórias que separam os carvões com baixo teores de cinzas (13 a 20 %) dos carvões com altos teores de cinzas (40 a 50 %). O carvão pré-lavado (30 %) e o rejeito vão para a primeira separação, na qual ocorre o peneiramento, indo depois para o hidrociclone, no qual o material beneficiado sai por cima e vai para a peneira; é o pré-lavado. O material que desce é constituído basicamente por água e Fe3O4. A magnetita cai no tanque de recirculação do meio denso e a mistura de água e magnetita entra no separador de baixa intensidade. O pré-lavado ainda não é o carvão metalúrgico, antes disso tem que ser beneficiado. Outro tipo de planta de concentração origina três tipos de produto: carvão lavado (com teor de cinzas mais baixo do que o do pré-lavado), o carvão intermediário (maior teor de cinzas do que o pré-lavado, sendo queimado em termoelétricas) e a ganga. Nesse caso são utilizados dois hidrociclones. O carvão fino não serve para a coqueificação.

Os carvões importados, devido às condições geológicas em que foram gerados, apresentam melhor resistência mecânica do que os carvões nacionais.As proporções das fases encontradas nos carvões importados (basicamente: vitrinita, inertita e hexinita) permitem uma cominuição diferenciada, que proporciona segregações das espécies mineralógicas presentes nos carvões.

Do pátio de carvão o material vai para o “reclaimer”, onde pás de caçamba retiram o carvão da pilha de homogeneização, a correia transportadora leva o material para os silos e então aos dosadores, chegando ao rolo alimentador e ao britador. A mistura de carvões, com baixo, médio e alto teor de substâncias voláteis é utilizada como matéria-prima para a fabricação do coque, com determinadas características: resistência á abrasão, ao choque e reatividade. A cominuição simultânea proporciona variação granulométrica considerável, acarretando segregações das espécies. A vitrinita amolece, liberando substâncias voláteis e depois então contrái. O coque se forma preferencialmente onde há maior proporção de vitrinita e menor quantidade de material pulverulento (em forma de pós). Essas segregações resultam da britagem coletiva, que envolve as seguintes etapas: pilhas, silos, dosagem, mistura, britagem coletiva e homogeneização. A britagem individual de carvões é mais custosa e envolve as seguintes etapas: britagem individual, silos, dosagem, mistura e homogeneização, sem haver segregação.

A terceira opção seria um meio termo: britagem coletiva por tipos de carvão: três pilhas de carvão: alta, média e baixa classificação, por classe, e as etapas seriam: ensilagem, dosagem, britagem, mistura total e homogeneização.

Além da britagem brutal (coletiva) há a britagem seletiva, que utiliza a peneira vibratória, que separa o material mais frágil, que não vai para o britador. A britagem coletiva é considerada como tipo U0 e a britagem seletiva como tipo U1: o material britado retorna à peneira, só sendo utilizado o material que sai da peneira, no qual ocorre segregação suave (segrega menos material).

O carvão mineral pode ser utilizado na siderurgia e na fundição, para a fabricação do coque (coqueificação), mas também pode ser utilizado como combustível nas termoelétricas e nas usinas de geração de vapor em geral, assim como nos processos de redução direta (alternativa ao alto forno para a fabricação de aço) e na gaseificação.

Coqueificação

A coqueificação é basicamente a transformação de uma matéria-prima com baixa resistência mecânica (o carvão, que não pode ser usado em fornos com grandes dimensões, como é o caso do alto forno) em uma matéria rica em carbono, porém com elevada resistência mecânica, que é o caso do coque. A destilação do carvão para transformá-lo em coque é realizada na ausência de ar. O aquecimento promove a liberação de substâncias voláteis, parte das quais são condensáveis, transformando-se em piche e alcatrão, e parte de não condensáveis, permanecendo como gases, de tal modo que modifica-se a estrutura e as propriedades da matéria rica em carbono.

Ao ser aquecido, o material atinge primeiro a temperatura Ta e depois a temperatura Ti, e, sucessivamente, as temperaturas Tm, Tb e Tr, sendo então transformado em coque. Esta faixa de temperaturas, de Ta a Tr, corresponde ao intervalo no qual ocorrem as reações de transformação do carvão em coque.

Definições: Ta é a temperatura de amolecimento, Ti a temperatura de início de inchamento, Tm a temperatura de máxima fluidez e Tr a temperatura de ressolidificação.

O primeiro estágio da coqueificação ocorre entre 350 e 550 ºC: nesta faixa de temperaturas a umidade já foi completamente eliminada, acontecendo a liberação de matérias voláteis, principalmente os hidrocarbonetos mais pesados (alcatrão), na faixa de Ta a Tr. Esta etapa confere resistência mecânica ao material. O amolecimento, a inchação e a fluidez estão associados ao primeiro estágio (liberação de alcatrão) e a presença de espécies mineralógicas (vitrinita e hexinita), que são etapas obrigatórias para que ocorra a transformação microestrutural do carvão, permitindo considerável ganho de resistência mecânica. Entretanto, inicialmente o material é conhecido como semicoque, só se transformando em coque propriamente dito quando a temperatura atinge cerca de 900 ºC. Durante o amolecimento e o inchamento ocorre a quebra das ligações de grandes cadeias poliméricas, denominada craqueamento, que confere plasticidade ao material. Assim, não há poros para liberar matérias voláteis até Tm, temperatura que corresponde ao pico da liberação de matérias voláteis. Acima dessa temperatura não ocorre mais a liberação de matérias voláteis: a massa plástica se condensa, contraindo-se e transformando o produto em semicoque, com resistência mecânica superior à do carvão inicial, porém ainda inferior à do coque final.

Durante a coqueificação formam-se duas frentes de aquecimento que se encontram numa faixa, denominada frente de coqueificação, na qual o material inicialmente ainda é carvão: é o chamado envelope plástico que apresenta espessura da ordem de 10 a 15 mm. Nesta região ocorre a destilação do carvão que assim se transforma em coque. Forma-se um gradiente de temperaturas entre a parede e o centro da câmara de combustão, variando entre 500 e 550ºC. O tempo de coqueificação varia de 15 a 20 horas, pois a frente de coqueificação se desloca lentamente. No centro da câmara existe o chamado semicoque. As frentes de aquecimento se encontram no centro a 550 ou 600ºC. embora na parede a temperatura chegue a 1000ºC, terminando a coqueificação. Cada camada está em um determinado estágio de coqueificação.

O envelope plástico equivale à frente de coqueificação: é uma faixa estreita no centro, de 15 a 20 mm de espessura, onde se forma o semicoque, que depois é descarregado e homogeneizado, com volume muito pequenos.

No segundo estágio, de 550 a 900ºC o semicoque transforma-se em coque, deixando de conter alcatrão, o qual evolui totalmente, sendo que o gás gerado contém alto teor de hidrogênio (H2), o qual é liberado. O segundo estágio somente começa após a finalização do primeiro estágio, quando então começa um intenso aquecimento.

O aquecimento para a coqueificação é realizado a partir do gás liberado durante a própria coqueificação. Este gás é rico em metano (CH4) e H2, apresentando assim elevado poder calorífico, portanto devem ser utilizados racionalmente no próprio processo de coqueificação. Para aumentar a velocidade da frente de coqueificação é necessário um aumento do gradiente de temperatura (aumento da temperatura na parede do forno retorta). Entretanto, se esta temperatura for alta demais, ocorrerá amolecimento das cinzas contidas no carvão (silicatos e fundentes), que assim reagem com a parede do forno (materiais refratários) causando problemas na operação do mesmo. Sendo assim, a temperatura de coqueificação é limitada pela temperatura de amolecimento das cinzas. A espessura da parede do forno deve ser pequena em relação á altura e largura, de modo a proporcionar as melhores condições de transferência de calor, proporcionando menor tempo de utilização do forno e assim menor gradiente de temperatura. Cada câmara de combustão aquece duas câmaras de coqueificação. Inicialmente o coque se forma próximo às paredes, onde a temperatura é mais alta. Consequentemente nesta região será menor o teor de matérias voláteis e o teor de coque aumenta do exterior para o interior. No encontro das frentes forma-se uma fenda na qual se forma o semicoque.

As etapas importantes do processo são: cominuição, homogeneização e coqueificação.

No processo antigo de coqueificação (forno meda) não era possível aproveitar as matérias voláteis liberadas. Atualmente é possível queimar o combustível da câmara e as matérias voláteis (parte do carvão ou madeira), sendo possível utilizar esta energia para a coqueificação. O alcatrão liberado na carbonização da madeira é usado nas ventaneiras do alto forno.

Existem diferentes projetos de câmara de combustão, proporcionado diferentes condições de transferência de calor. As melhores condições correspondem ao maior tempo de residência em combustão.

Os materiais refratários apresentam boa condutividade térmica e elevada resistência ao choque térmico, com pouca variação dimensional para determinadas temperaturas: caso contrário, surgiriam trincas que eliminariam a estanqueidade do sistema, o que permitiria a entrada de gases, que inviabilizariam a destilação. Outra propriedade importante dos refratários é sua baixa reatividade com as cinzas ácidas do carvão, pelo fato de serem ácidos. Materiais alcalinos (básicos), como o refratário de magnesita, reagiriam com as cinzas, além de apresentarem baixa resistência ao choque térmico, apesar de demonstrarem boa condutividade térmica. O comportamento do refratário em relação ao choque térmico determina a sua utilização no forno de coqueificação (baterias de coqueificação e de combustão). Os refratários sílico-aluminosos não apresentam alta resistência ao choque térmico, apesar de não reagirem com as cinzas, então o material refratário ideal para o revestimento do forno de coqueificação deve ser do tipo silicoso.

O gás existente no alto forno apresenta baixo poder calorífico, pois contém alto teor de N2, proveniente do ar soprado. Então adiciona-se o gás de coqueria, que melhora o poder calorífico da mistura gasosa, além de promover o consumo racional do gás de coqueria, utilizando o gás do alto forno para aquecer as câmaras de combustão: se fosse utilizado somente o gás de coqueria, seriam atingidas temperaturas excessivamente altas para a coqueificação. Embaixo das câmaras de coqueificação ficam os regeneradores de calor, nos quais existe um empilhamento de refratários que capta calor sensível dos gases de combustão e cedem esse calor para o ar, que assim é aquecido, ao passar para o regenerador. Esses refratários são produzidos com material silicoso, para resistir ao choque térmico.

Por cima da câmara existem furos por onde se alimenta o carvão. Uma vez concluído o carregamento, desenvolve-se a operação de coqueificação: a câmara é aquecida: carregamento, coqueificação e descarregamento. Enquanto uma câmara de coqueificação é descarregada, a outra ainda está no estágio de coqueificação. Um êmbolo empurra o coque, que entra em uma guia que o leva ao carrinho de descarregamento. A contração que ocorre na coqueificação separa o material da parede, diminuindo o atrito. O material tem que ser resistente à abrasão e ao choque durante o descarregamento e carregamento.

A transferência de calor ocorre basicamente por condução, porém a contração diminui o contato, prejudicando a transferência de calor, acarretando aumento do tempo do ciclo térmico, ou seja, o aumento do tempo de coqueificação. A convecção (associada aos gases presentes) e a radiação (sem luminosidade) são desprezíveis em relação à condução.

Os dutos de saída dos gases estão colocados na parte de cima e separados dos dutos de alimentação.

O aproveitamento do material na coqueificação ocorre segundo o seguinte balanço de massa: para cada 3012 toneladas de carvão, com 168 ton de água, na entrada, obtém-se 2230 ton de coque na saída, considerando-se subprodutos da destilação como gases e condensados. Como subprodutos recuperam-se 762 ton de gases, porém 20 ton de gases são perdidos. Os subprodutos recuperados são aproveitados no próprio processo de coqueificação: gás de coqueria e matérias condensáveis. Das 742 ton/dia de matérias voláteis (762-20) 446 ton seguem para a separação de óleos, resultando em 26 ton/dia de óleos leves e 420 ton/dia de gases, ou seja, gera-se aproximadamente 55 % de gás. A quantidade de alcatrão produzido chega a 130 ton/dia (17 %).

As matérias condensáveis importantes são: alcatrão, piche (hidrocarbonetos com cadeias maiores, mais pesados) e óleos leves. Podem ser comercializados pela usina, e colunas de craqueamento separam as frações da destilação. O alcatrão é um combustível importante dentro da usina, além de ser um subproduto também da destilação da madeira. No estado líquido é injetado nas ventaneiras para diminuir o consumo de combustível (coque). Entretanto, o alcatrão é viscoso: aquece-se a tubulação e é atomizado (torna-se fluido, apto a escoar) com o uso de vapor d’água.

Fornos de tratamentos térmicos, caldeiras (para a produção de vapor) e outros equipamentos que envolvem trocas de calor, utilizam o gás proveniente do alto forno e o gás de coqueria. O gás de alto forno é rico em N2, uma vez que injeta-se ar nas ventanas, contendo um pequeno teor de CO. Como consequência, apresenta baixo poder calorífico, já que o N2 é inerte. A mistura de gás de coqueria com gás de alto forno apresenta poder calorífico adequado. O gás de coqueria é um insumo importante na usina, mas o gás de alto forno não pode ser descartado, uma vez que é produzido em grandes volumes. O gás de alto forno contém cerca de 15 % de CO, que é um gás inodoro e venenoso. Já o gás de aciaria apresenta alto teor de CO, com bom poder calorífico. A proporção de poder calorífico de cada gás seria: gás de alto forno: 800 kcal/m3 e gás de coqueria: 4500 kcal/m3. O gás de coqueria é constituído por H2 e CH4 (este é mais importante), possuindo alto teor calorífico, principalmente devido ao metano, havendo esta reação:

CH4 + H2O = CO + 3H2

Assim, o craqueamento de uma molécula de metano (CH4) origina três moléculas de H2.

Cerca de 35 % da energia necessária para coqueificação vem do gás de coqueria (aquecimento das câmaras de combustão: transferência de calor), sendo que 55 % vem do alto forno (a unidade que mais consome gás do alto forno é a unidade de coqueificação), enquanto 10 % vem do vapor, energia elétrica e outras fontes. Na parte debaixo das câmaras de coqueificação ficam os regeneradores, que recuperam o calor sensível dos gases, que saem da câmara de combustão.

O calor que entra no sistema é composto pelo calor de combustão e pelo calor sensível do ar. Do calor fornecido (100 %) 19 % são perdidos na chaminé por radiação, 29 % correspondem ao calor sensível do gás de coqueria, que são recuperados como subproduto, o qual é impuro e assim não vai para o regenerador, que extrairia os subprodutos. Do calor total que entra no sistema outros 52 % são utilizados no resfriamento do coque a úmido, dos quais 42 % são recuperados (regenerados) a seco e 10 % são perdidos.

No resfriamento a seco injeta-se combustível gasoso, que não queima o carvão: trata-se do gás inerte N2, que é submetido á operação em circuito fechado: o N2, aquecido pelo coque, transfere calor para o empilhamento, sendo resfriado e assim reaproveitado. Nas usinas grandes uma grande quantidade de calor é fornecida, resfriando-se a água, aproveitando-se o calor, dependendo das condições locais.

A gaseificação é uma reação gás-sólido, ou seja, um processo no qual a utilização de agente gaseificante transforma a matéria carbonosa do combustível sólido em fase gasosa, utilizada de forma mais nobre: quando o carvão é de baixa qualidade (com alto teor de cinzas) ou quando a matéria-prima não se aproveita na forma sólida, pois não se gaseifica carvão com baixo teor de cinzas.

O processo de gasificação compreende as seguintes etapas: 1- Carvão (sólido); 2 – Preparação da mistura; 3 – Gaseificação propriamente dita; 4 – Purificação; 5 – Gás final. É importante observar que deve ser realizada análise para verificar as condições adequadas para a gaseificação, não somente as condições termodinâmicas de equilíbrio, mas também as da cinética das reações envolvidas no processo.

As reações gás-sólido que ocorrem durante a gaseificação apresentam interface heterogênea: o transporte ocorre por difusão, havendo depois a adsorção, as reações químicas a dessorção e a difusão.

Fatores importantes no controle do processo são a velocidade da reação e da difusão através da camada limite. O parâmetro cinético mais importante é a área superficial/granulometria: esse parâmetro separa os processos de gaseificação, que são classificados segundo a granulometria da matéria-prima. Exemplo: leito fixo, o qual deve apresentar boa permeabilidade, que é comprometida por uma granulometria muito fina. Não é dos processos cineticamente mais favoráveis, pois apresenta superfície específica muito alta, como outros processos, tais como o leito fluidizado e o leito arrastado. Estes últimos exigem carvão bem mais fino.

Reação de gaseificação pelo vapor d’água: C + H2O = CO + H2. É uma reação fortemente endotérmica, ou seja, o processo não é autossustentável.

Por outro lado, a reação C + O2 = CO2 é fortemente exotérmica.

O agente gaseificante é uma mistura de O2 e H2O (ar + vapor).

A gaseificação compreende uma série de reações importantes:

1) C + O2 = CO2: é a reação responsável pelas temperaturas atingidas. Na energia necessária para a gaseificação deve-se computar a energia consumida na gaseificação, que é fortemente endotérmica.

2) H2 + ½ O2 = H2O: é a reação de combustão do hidrogênio presente na cadeia de hidrocarbonetos: as matérias voláteis são queimadas, suprindo calor adicional à gaseificação. Qualquer hidrocarboneto em alta temperatura se decompões em carbono e hidrogênio simultaneamente.

3) C + H2O = CO + H2: nesta reação o agente gaseificante é H2O, sendo o O2 utilizado para compensar o consumo de calor na gaseificação.

4) C + O2 = 2CO: cineticamente esta é uma reação mais lenta do que a de gaseificação (3): obtém-se gás com o mais alto teor possível de H2 em realção ao CO, tenta-se obter alta razão H2/CO porque o H2 é mais reativo: H2/CO deve ser superior a 1.

5) C + 2H2 = CH4: esta reação ocorre em altas pressões e baixas temperaturas. É uma reação á parte: pouco importante. É a chamada reação de metanação: transformação de gás em metano, gerando gás com alto poder calorífico.

6) CO + H2O = CO2 + H2: é a chamada reação de deslocamento: é uma reação muito importante no processo de gaseificação pois determina a relação entre H2 e CO na composição do gás obtido na gaseificação. Quanto mais houver condições de deslocamento no reator para o gás CO transformar-se em H2, maior será a relaçãoH2/CO, e consequentemente maior será a reatividade. A unidade de purificação absorve CO2 produzido na reação de deslocamento, que é indesejável, por ser oxidante.

7) CO + 3H2 = CH4 + H2O: reação catalítica de formação do metano (a partir do CO e do H2): a reação entre os dois gases é homogênea, mas a cinética é muito lenta: aumenta-se a velocidade de reação com o uso de um catalisador: níquel ou liga níquel-ferro, que é introduzido na interface heterogênea para que nesta superfície a reação corra com maior velocidade. É uma reação bastante exotérmica, ao contrário da reação CH4 + H2O = CO + 3H2, que é endotérmica. A reação exotérmica é usada para obter metano: é necessário que a reação de deslocamento tenha sido realizada com bastante eficiência para obter H2/CO = 3.

A cinética (produtividade) da redução para H2 é mais favorável (maior) do que para CO. Os parâmetros que afetam a reação gás-sólido são: temperatura, pressão, operação em contracorrente, percentual de cinzas do carvão, características de coqueificação do carvão e a quantidade de O2 no agente redutor.

A operação em contracorrente me geral é mais eficiente do que em co-corrente. Essas condições de gaseificação (contracorrente) são melhores quando a matéria carbonosa (carvão: mistura de hidrocarbonetos com cinzas, que são argilas) atinge a parte de baixo do reator. Quando a matéria carbonosa é proporcionalmente pouca, ou seja, quanto o carvão apresenta elevado teor de cinzas, dificulta a permeação dos gases para dentro do carvão. Entretanto, o agente gaseificante tem poder máximo (O2 + H2O) de reação em contato com o sólido empobrecido, pois nestas condições pode se gaseificar todo o material.

Em co-corrente, à medida que o material sólido perde teor de carbono, o agente gaseificante perde poder: no final, os gases, junto com sólido empobrecido, reduzem a eficiência do processo.

A temperatura e a pressão (menor) são variáveis diretamente ligadas à cinética do processo de gasificação. A temperatura tem que ser rigorosamente controlada, pois não pode subir muito: se a temperatura de amolecimento das cinzas for excessiva, acarreta problema na descarga do reator.

Existem quatro processos comerciais de gaseificação, descritos a seguir:

1) Processo Gasogênio (Antigo):

É o processo mais tradicional de gaseificação, ocorrendo em leito fixo e havendo movimento em contracorrente dos sólidos com o agente gaseificante.

A gaseificação em leito fixo admite várias possibilidades diferentes no uso do agente gaseificante: ar misturado com vapor d’água ou mistura O2 e vapor: maior ou menor poder calorífico.

O processo gasogênio de gaseificação subdividi-se em três zonas, no que se refere à posição da carga sólida no interior do reator. Na parte superior ocorre a secagem do carvão, descendo, atinge-se temperaturas mais elevadas, ocorrendo a transferência de calor dos gases da região de combustão para a carga sólida, que se aproxima da parte inferior do reator.

As três principais etapas do processo são a secagem, a gaseificação e a combustão.

A reação mais favorável, do ponto de vista cinético, é a de combustão, pois gera calor para as reações de gaseificação, na parte inferior do reator, cedendo calor para a carga, de modo a converter o combustível sólido em gasoso. A corrente de gás após a gaseificação (Co e H2 ou CO, H2 e N2) cede calor para a carga sólida fria na região de secagem (e pré-aquecimento), havendo maior ou menor arraste de partículas sólidas, o que torna obrigatório passar ao gás pelo lavador de partículas. Uma baixa velocidade de reação, ou seja, longo tempo de residência dos gases em meio à carga sólida, proporciona boas condições de transferência de calor. Nesse caso não aproveita o calor sensível dos gases, é realizada a lavagem do gás, ou seja, o abaixamento da temperatura dos gases: jatos de água são usados para eliminar impurezas sólidas no gás.

Constituintes do carvão: carbono fixo e matérias voláteis. Além de CO e H2, há certa proporção de matérias voláteis no gás produzido: CH4 que não se decompõe no aquecimento, liberando matérias voláteis sem ocorrer craqueamento dos hidrocarbonetos, pois a temperatura é relativamente baixa. Também é necessária uma unidade de recuperação do alcatrão, pois esta substância é produzida em quantidades/parcelas significativas.

A gaseificação é boa para carvões com altos percentuais de cinzas: é necessária uma unidade para remoção de cinzas, que são removidas no estado sólido, ou seja, em baixas temperaturas de gaseificação. A granulometria grosseira em leito fixo garante boa permeabilidade, porém baixa velocidade de liberação de energia associada ao poder calorífico, acarretando baixa temperatura de combustão. A permeabilidade deve ser razoável, com pouca geração de finos, desde que a temperatura máxima de gaseificação não ultrapasse a temperatura de amolecimento das cinzas, pois nesse caso todo o material permanece sólido. Só devem ser utilizados na gaseificação em leito fixo carvões não coqueificáveis, pois o amolecimento e a plastificação eliminam, ou reduzem muito, a permeabilidade do leito, constituindo assim uma barreira á passagem dos gases.

2) Processo Lungi

Neste processo utiliza-se carvão com granulometria mais fina do que o carvão usado no processo gasogênio. Também utiliza leito fixo, contracorrente e descarrega a carga sólida, porém, por outro lado, apresenta outras diferenças importantes, como um reator pressurizado, com sistema de válvulas. O aumento da pressão e a diminuição da granulometria o tornam cineticamente mais favorável, pois o tempo de residência mais prolongado e as melhores condições de transferência de calor aumentam o consumo de O2 e agente gaseificante nas reações, proporcionando maior eficiência e favorecendo a formação de metano.

Matérias voláteis acompanham os gases de gaseificação, e são arrastadas para fora do forno, pois a temperatura atingida não decompõe as matérias voláteis, que são recuperadas numa unidade de recuperação de matérias voláteis. A diminuição do volume de gases que sai do reator (devido ao maior tempo de residência) implica em menor necessidade de regeneradores para recuperar o calor sensível dos gases. Este processo apresenta como desvantagens: gás contaminado (com alcatrão e óleo) devido à liberação das matérias voláteis. Porém, é necessário recuperar estas substâncias voláteis, não apenas pelo aspecto financeiro, mas também para não entupir o sistema de recuperação de gases.

3) Processo Koppers

Este processo é realizado com leito arrastado e permite máximo aproveitamento do carbono fixo no combustível. No leito fixo trata-se carvão com alto teor de cinzas, gaseificando de fora para dentro: atinge-se maiores temperaturas, de tal modo que o amolecimento da cinza dificulta a gaseificação, constituindo uma barreira à difusão do agente de gaseificação para o interior da partícula: a cinza descarregada contém certo percentual de carvão, e assim a pressurização melhora a recuperação. No leito arrastado um jato contendo carvão, O2 e vapor d’água apresenta partículas sólidas com granulometria muito fina (150 a 200 malhas) em suspensão numa corrente gasosa.

É um processo que favorece cineticamente a gaseificação devido á menor granulometria, havendo gaseificação e combustão simultâneas: liberação violenta de calor, de modo que as cinzas são liquefeitas pela alta temperatura, ou seja, a destilação também é simultânea. O material gasoso resultante da gaseificação é recolhido por cima, enquanto as cinzas são recolhidas no estado líquido ou solidificadas, nesse caso por um sistema de resfriamento. Não gera matérias voláteis, pois as altas temperaturas atingidas promovem o craqueamento dos hidrocarbonetos, não sendo necessário tratar os gases para recuperar alcatrão. Há arraste de sólidos e necessidade de aproveitar o calor sensível, devido ás altas temperaturas. Em co-corrente (jato de carvão com O2 e H2O) é necessário provocar turbulência para misturar melhor: reação sólido-gás, que se não tem velocidade relativa suficiente, acarreta o encontro de dois jatos. O uso de maçaricos provoca maior turbulência. Neste processo não há limitação do teor de cinzas, as quais se fundem, nem de tipo de carvão. Este processo tem um custo maio do que os demais e não permite o aproveitamento das matérias voláteis resultantes da destilação do carvão: estas são transformadas em gases e carbono, que devem ser retirados. A razão H2/CO é favorável e as cinzas não ácidas, ou seja, exceto SiO2 e Al2O3, recebem a adição de fundentes para diminuir a viscosidade, de modo a poder escoar as cinzas. Também é necessária grande quantidade de O2 para manter o calor necessário ao processo, devido á necessidade de atingir altas temperaturas.

Como a granulometria é mais fina, é um processo cineticamente mais favorável, porém a percolação é desfavorável, sendo a velocidade relativa praticamente nula, devido às más condições de fluxo do gás sobre a carga. As perdas de carbono são menores do que no caso de outros processos, porém há perda de calor devido o amolecimento e fusão das cinzas. Em altas temperaturas as cinzas envolvem carbono não gaseificado, o qual é perdido, assim não deixam canais, ou seja, poros, devido à saída do carbono combinado como CO.

4) Processo Winkler

Este processo utiliza leito fluidizado, no qual as partículas estão em suspensão no agente gaseificante (O2 e vapor) em íntima mistura com muita agitação, sendo assim cineticamente mais favorável e com melhor homogeneidade de temperaturas no interior do forno, devido a esta agitação intensa. A velocidade relativa não é nula e a agitação promove melhores condições para a difusão do reagente pela camada limite, favorecendo sua chegada á interface da reação. O gás sai por cima e é submetido a um tratamento que separa as partículas sólidas. A agitação forma finos, que são arrastados pela corrente gasosa, e que retornam assim ao processo de gaseificação. Se a velocidade de arraste for maior do que a velocidade de sedimentação, ocorre arraste das partículas menores.

A granulometria deve ser controlada dentro de limites estreitos, para evitar o arraste, pois o menor tempo de residência acarreta perda de carbono fixo. A temperatura de 700 a 900 ºC não amolece as cinzas, porém não devem ser utilizados carvões coqueificáveis: neste caso, o contato entre partículas agitadas forma partículas maiores, ou seja, ocorre aglomeração, transformando o leito fluidizado em leito não fluidizado, por sedimentação.