Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 PRODUÇÃO DE BRIQUETES DE FINOS DE CARVÃO DE RESÍDUOS DE BIOMASSA PROVENIENTE DA AGROINDUSTRIA UTILIZANDO COMO LIGANTE UMA MISTURA DE ESCÓRIAS DE REFINO DE AÇO Nathália Batista Lopes Matias Graduada em Química – Bacharelado pela UFF Mestranda em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Laboratório de Polímeros e Fundição – EEIMVR/UFF – VR Isabela Santana de Oliveira Engenheira Mecânica formada pela EEIMVR/UFF-VR Mestre em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Doutoranda em Engenharia de Materiais pela EEL-USP Laboratório de Mecânica Aplicada – EEIMVR/UFF – VR Conceição de Maria Pinheiro Correia Doutora em Ciências e Engenharia de Materiais pela Universidade de São Paulo Campus São Carlos; Coordenadora do Curso de Engenharia Civil-IFMA; Professora do Magistério Superior-IFMA; André Luís de Brito Baptísta Técnico Industrial Metalúrgico Especializado Graduado em Administração de Empresas com Ênfase em Gestão de Ciência e Tecnologia Pós-Graduado MBA em Gestão de Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação Mestre em Materiais (Processamento e Reciclagem) Laboratório de Metalurgia Extrativa (LAMEX) – EEIMVR/UFF - VR Resumo A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas através de pressão, com ou sem aglutinantes, permitindo obtenção de produtos compactados, com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. A recente preocupação ambiental, resultando em leis mais rígidas, além da necessidade de aproveitar economicamente resíduos e partículas finas geradas no beneficiamento de minérios, na siderurgia e na agroindústria, fez com que a briquetagem voltasse a ser uma importante alternativa para aglomerar valor econômico e energético. No presente trabalho mostra-se os resultados em termos de resistência mecânica de briquetes de finos de biomassa carbonizados aglomerados com escória de fabricação de aço. Os mesmos alcançaram um valor de resistência média de 150 MPa, o qual permite serem utilizados como combustível complementar em alto-fornos a carvão vegetal. Palavras-Chaves: Briquetagem, Briquete, Matéria-Prima, Aglomeração, Siderurgia Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 1 – INTRODUÇÃO Desde a descoberta e uso do fogo o homem faz uso da energia para sua sobrevivência, como se pode ver na Figura 1. Figura 1 – Estágios de desenvolvimento e consumo de energia [1] Com a necessidade crescente de recursos para a produção de energia sustentável, a utilização de biocombustíveis sólidos torna-se uma alternativa importante uma vez que a biomassa é fonte de energia limpa e renovável. [2] Assim, vem ocorrendo uma grande valorização da produção biomassa como fonte de energia, esta se desenvolve de forma alternativa para minimizar a geração de resíduos e impactos ambientais. [3] Como o país possui proporções continentais, sendo o quinto maior país do mundo, nele tem grande destaque o setor florestal e ao setor sucro-alcoleira. [3] Devido às atividades humanas, a concentração de gases de efeito estufa na atmosfera tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, agravando o efeito estufa e contribuindo para o aquecimento global. Essas ações estão ligadas principalmente à queima de combustíveis fósseis. A siderurgia tem uma importante participação na geração de gases do efeito estufa devido ao alto consumo de carvão e coque no balanço energético. [4] Na indústria siderúrgica de hoje busca-se utilizar de matéria prima combustível para altos-fornos materiais alternativos de baixo custo e ambientalmente corretos, os briquetes de biomassa carbonizada são materiais que se encainchão dentro deste grupo. [5,6,7] Os resíduos industriais podem ter basicamente três destinos, o descarte, o reaproveitamento interno ou o reaproveitamento externo. O descarte puro e simples de resíduos tem sido cada vez mais desestimulado, principalmente devido às normas cada vez mais rígidas quanto às qualidades de aterros. Já a reciclagem de resíduos tem sido apontada como a solução mais interessante para os problemas dos resíduos industriais, pois é o principal componente para a realização de um desenvolvimento auto-sustentável. [8] Na busca pelo aproveitamento dos resíduos gerados desde a produção florestal até os processos de transformação industrial da biomassa, desenvolveu-se o processo de briquetagem. A aglomeração de partículas de madeira ou de seu carvão facilita as operações de manuseio do material combustível, além de concentrar a energia disponível em termos de volume. [9] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 O termo aglomeração é em geral empregado para designar algumas operações aplicadas a materiais de granulometria fina, para transformá-los em corpos maiores, ou fragmentos coesos, por meio da ligação rígida e consolidação de suas partículas, entre si, por meio de mecanismos físicos e/ou químicos, conferindo-lhes tamanho, forma e propriedades particulares adequadas ao uso. [7,10] A briquetagem é um dos processos mais antigos de aglomeração e caracteriza-se pela aplicação de pressões externas com consequente redução de volume do material fino, obtendo um produto (briquete) com forma, dimensões e características variáveis e totalmente controladas, conforme a sua aplicação. É influenciado por fatores como: granulometria do material, umidade, tipo e quantidade de ligante e variáveis de compactação (esforço, tempo,etc). O produto resultante deste processo é o briquete, que é uma matéria prima sintética, um mineral industrial, um compósito [7,11] 2 - ABORDAGEM TEÓRICA : REVISÃO DA LITERATURA A indústria siderúrgica é importante fornecedora de insumos para produtos de diversas indústrias e para a construção civil. A dinâmica da siderurgia mundial, como de diversos outros setores industriais, tem sido diretamente afetada por fatores econômicos e socioambientais, que representam enormes desafios em médio e longo prazos para o setor, entre os quais, estão: [12,13] • enorme expansão da capacidade produtiva de produtos siderúrgicos, com aumento da concorrência e da pressão sobre o preço de insumos na última década; • intensificação da pressão exercida para a redução de impactos ambientais, em um contexto de maior exigência por qualidade de vida; e • elevação e incerteza sobre preços de energia em âmbito mundial. A maior competição enfrentada impõe às indústrias do setor o desafio de reduzir custos e elevar a competitividade, ao mesmo tempo contemplando soluções capazes de promover a redução do consumo energético e do volume de emissões. [12,13] A Figura 2 mostra o uso das fontes de energia. Figura 2 - Evolução das fontes de energia [14] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 A indústria siderúrgica é grande consumidora de energia e de materiais e, como tal, também responsável por considerável volume de efluentes, dada a grande quantidade de reações físicoquímicas envolvidas nas diversas etapas do processo de fabricação do aço. Assim, para a transformação do minério de ferro em produto laminado de aço, passando pelas etapas de coqueificação, sinterização, redução e refino, são produzidos grandes volumes de emissões gasosas, efluentes líquidos e resíduos sólidos. A partir da década de 1980, por pressão da sociedade e da legislação pertinente, a indústria tem-se tornado mais eficiente e sustentável, por meio da recicla-gem de produtos e subprodutos, que promoveram a redução do consumo específico de energia. [13]. A Figura 3 mostra uma previsão do consumo de energia, a Figura 4 mostra o consumo por industria. Na Figura 5 pode se ver o comportamento do consumo de combustível. Figura 3 – Consumo mundial de energia até 2060 (Cenário: Crescimento Sustentado) Figura 4 - Consumo de energia por seguimento industrial [14] [1,5,6] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 Figura 5 - Evolução do consumo de combustível [14] Nos últimos anos, as empresas siderúrgicas brasileiras, seguindo o movimento mundial, desenvolveram ações para reduzir o consumo energético em suas operações, com destaque para: [13] (i) cogeração de energia elétrica através do reaproveitamento dos gases do processo; (ii) substituição de insumos/combustíveis; (iii) otimização do controle dos processos via automação; e (iv) programas de treinamento/sensibilização de fornecedores. Na siderurgia, o consumo de energia se dá, basicamente, na forma de energia térmica e de energia elétrica. A energia térmica envolve quase todos os processos, sendo mais intensamente utilizada em unidades integradas, que englobam os processos de sinterização, coqueificação e redução. As etapas de coqueificação e redução, embora intensivas em energia, são as que apresentam maior potencial absoluto de economia e recuperação, considerando tanto a energia contida no coque quanto nos gases e calor dos processos. [13] O uso de energia elétrica é mais intenso na laminação a quente e na etapa de refino, tanto nos fornos elétricos como nos conversores a oxigênio. [13] Cabe destacar que a energia elétrica, basicamente, é usada na siderurgia como força eletromotriz, salvo no caso dos fornos elétricos, que empregam a energia elétrica para a fusão de carga metálica e refino do aço. [13] A Tabela 1 apresenta os principais insumos energéticos e efluentes gerados nas principais etapas/processos siderúrgicos: [13] Os resíduos sólidos siderúrgicos podem ser classificados em três cate-gorias básicas: (i) recicláveis que contêm ferro – entre os quais, citam-se as poeiras e lamas de alto-forno, de aciaria e de sinterização; as lamas das unidades de tratamento; água de recirculação da laminação; e as carepas; (ii) resíduos carboquímicos, provenientes, basicamente, das etapas de pro-dução de coque; e (iii) as escórias – geradas, principalmente, na produção de ferro-gusa no alto-forno e nas aciarias a oxigênio e elétricas. [13] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 Tabela 1 - Principais insumos energéticos e efluentes da siderurgia [13] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 Na Tabela 2 pode se ver o consumo de energia na siderurgia. Tabela 2 - Panorama do consumo energético na siderurgia (ferro e aço) por etapa [14] O custo do ferro-gusa representa o maior custo de produção do aço e, portanto, influencia diretamente a posição relativa da indústria quanto aos custos de produção de aço. [13]. Nesse caso, o Brasil entra em desvantagem, apresentando o maior custo de produção de coque, entre os dez maiores produtores, por causa do custo de importação do carvão metalúrgico, quesito em que o país é totalmente dependente. [13] A indústria de base florestal, como um todo, tem por característica, a grande geração de resíduos ao longo do processo de produção. O setor madeireiro apresenta um grande potencial para o aproveitamento de resíduos, já que as perdas são inerentes ao processo produtivo, representando 40% a 70% do volume de matéria-prima sem uma utilização determinada. Estes resíduos particulados são obtidos durante a colheita e beneficiamento da madeira e, por muito tempo, não tiveram destinação adequada. [9] Recentemente, passou-se a utilizá-los como combustível, entretanto, o uso do material particulado apresenta desvantagens, como a exigência de adequação das caldeiras para uso de finos e dificuldades de transporte. [9] A necessidade de recuperar finos de carvão oriundos do processo de beneficiamento de minérios fez com que surgisse a técnica de aglomeração denominada briquetagem. Em 1848, Easby desenvolveu um processo que possibilitava a formação de aglomerados sólidos de tamanho e forma variados, a partir de frações finas de qualquer tipo de carvão, por meio da pressão exercida sobre esse material. [9,14] A briquetagem é um processo de reconstrução, ou seja, é a reconsolidação de material particulado por meio da aplicação de temperatura e pressão a uma massa de partículas, com ou sem adição de ligantes. [9] O uso de briquetes em caldeiras industriais e fornos siderúrgicos elimina a necessidade de adequação dos equipamentos, permitindo também uma queima mais uniforme e melhoria das condições de transporte, manuseio, armazenamento e alimentação dos mesmos. Outra vantagemdo uso de briquetes é a concentração da energia disponível, ou seja, há maior geração de energia por unidade de massa do material, fato que também contribuipara a economia no transporte, pois um mesmo volumede briquetes pode ter cinco vezes mais energia que a madeira in natura. [9] As características que qualificam um briquete são: poder calorífico superior (PCS); densidade; e resistência à compressão. Estas características são influenciadas por variáveis relacionadas ao processo de produção. O poder calorífico superior indica o potencial de produção de energia por Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 unidade de massa; a densidade, expressa a quantidade de material por unidade de volume, portanto, quanto maior, mais concentrada está a energia e, assim, tem-se um briquete com maior potencial energético emum mesmo volume; a resistência máxima à compressão é um parâmetro para a definição da resistência do briquete durante o transporte e o armazenamento. [9] O Alto-Forno exige da carga, principalmente, isenção de finos, faixa granulométrica estreita e suficiente resistência mecânica para assegurar boa permeabilidade à coluna de carga. Dos componentes metálicos espera-se uma boa reductibilidade e levado teor de Fe, para obter-se um baixo consumo de coque. Sendo assim, o beneficiamento de aglomeração visa: [16] (a) Melhorar a permeabilidade da carga do Alto-Forno; (b) Reduzir o consumo de carvão, reduzindo a quantidade de finos carregados pelo gás (c) Acelerar o processo de redução, garantindo o contato gás-sólido uniforme. No que tange a resistência mecânica, para uso em siderurgia qualquer tipo de briquete deve alcançar valores na faixa de 150 á 160 MPa. [1,7,17,18,19] . O Institute for Briquetting & Agglomeration (U.S. Bureau of Mines) determina que para uso em metalurgia e fundição os briquetes devem ter como resistência 130 á 150 MPa. [1] Fontes alternativas de energia a partir de recursos renováveis como álcool, lenha e cavaco têm sido estudados com o objetivo de diminuir os impactos ambientais causados pelos combustíveis fósseis e atender a demanda de energia calorífica pelas indústrias. [19] O uso de biomassa como combustível e para produção de energia em caldeiras e fornos éuma realidade. Bagaço da cana, casca de arroz ede coco babaçu, cascalho e restos de madeira são exemplos de combustíveis que têm sido usados na produção de vapor nas caldeiras das empresas, em substituição aos combustíveis de origem fóssil, como óleo e gás natural. [19] Os briquetes obtidos de biomassas, como madeiras, bagaço da cana e capim são produzidos através de secagem, trituração e prensagem da matéria - prima com auxílio ou não de um aglutinante, tem sido uma oportunidade impar para a solução de problemas com combustível e ambiental. [19] A queima direta de briquete de capim em caldeira, devido à baixa umidade, faz com que a temperatura se eleve mais rapidamente do que a queima direta da madeira, ou de outros materiaisagrícolas mal prensados, com maior aproveitamento energético do material. [19] A combustão de briquetes, se bem regulada, produz apenas CO2 (dióxido de carbono) e água em forma de vapor. Nesse caso o CO2 liberado, não contribui para o aumento do efeito estufa no planeta, pois ele é o mesmo quefoi armazenado pela planta na fotossíntese, ou seja, emissão zero.[19] 3 - MATERIAIS E MÉTODOS Para atender os objetivos propostos, a produção do produto sugerido seguiu-se as seguintes etapas mostradas no fluxograma da Figura 6: Figura 6 - Etapas para confecção do produto (aglomerado a frio tipo briquete) Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 O material foi aglomerado com uma mistura de 5% de escória de aciaria a oxigênio (LD), 5% de escória de aciaria elétrica, 5% de escória de forno panela e 5% de cal comercial com uso de 12% de água, as composições das escórias e os valores das biomassas estão nas Tabelas 3, 4, 5, e 6. Tabela 3 - Composição da escória de Aciaria LD Tabela 4 - Composição de Escória de Forno Elétrico Tabela 5 - Composição de Escória de Forno Panela Tabela 6 – Composição da Biomassa (Carvão) Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 As misturas para a confecção dos briquetes cilíndricos, foram executadas em misturador de pás de bancada, tipo Core Sand Mixer Type PKM da George Fischer Limited (Figura 7), com tempo fixo de 10 minutos. Os materiais eram misturados a seco primeiramente em seguida adicionava-se a água em partes, deixando a mistura homogeneizar-se antes. Figura 7 – Misturador de bancada O conjunto (ou molde) briquetador, esta detalhado na Figura 8 e mostrado na Figura 9. A briquetagem foi feita a frio em prensa tipo macaco hidráulico de acionamento manual, (Figura 10), com força de 10 ton e tempo de prensa fixo em 3 minutos. O briquete produzido (Figura 11) possui uma dimensão de 30 mm de diâmetro e 30 mm de altura. Os briquetes foram secos ao ar natural. Figura 8 – Desenho do molde de briquetagem Figura 10 - Sistema de briquetagem Figura 9 – Molde de briquetagem Figura 11 - Briquetes produzidos (o produto) (prensa + molde) Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 Os ensaios foram conduzidos de acordo com ABNT 12654 e ISO 17025. A seleção de materiais e amostragem foi de acordo com a ABNT 10007. Os corpos de prova, para a caracterização mecânica, foram confeccionados de acordo com a norma ABNT 7680, 5738 e 13729. O ensaio de compressão diametral foi executado de acordo com a norma ASTM C496 e ABNT 7222, em máquina de compressão modelo Emic PC – 150C. Avaliou-se a resistência mecânica através do ensaio de compressão diametral dos briquetes. Foram executados 30 ensaios para cada mistura briquetada. 4 - APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Os resultados da resistência média dos briquetes de carvão de biomassa estão apresentados no gráfico da Figura 12. A Tabela 7 mostra os valores da literatura, para se fazer uma comparação.[7] Figura 12 – Resultado do Ensaio de Compressão dos Briquetes de Biomassa O valor médio de resistência alcançado nos briquetes do presente estudo, como detalhado em trabalhos anteriores [1,7], pode ser fruto: (i) da compactação mecânica (prensagem); (ii) do fenômeno denominado poder de aglomeração a frio (p. a. f.); (iii) do fenômeno denominado sensibilidade a compactação; (vi) do efeito cimentício da escória; (v) do fenômeno efeito Filler; (vi) da distribuição granulométrica natural das matérias primas que eleva a compactabilidade; (vii) do teor ótimo de água de adição; (viii) da relação água/cal, (ix) da interação sinergística entre os materiais da mistura (regra das misturas clássica) e (x) da adição de materiais pozolânicos finamente moídos. Em pesquisas de Mäkela [20,21], esse pesquisador ponderou que a utilização de escórias sintéticas é uma alternativa para servir como ligante no briquete. Essas escórias são à base, principalmente, de Al2O3, SiO2 e CaO. Assim, há influência dessa composição na correção da basicidade e, também, no auxílio da reação de dessulfuração no alto-forno. E, a utilização de ligantes hidráulicos, como o CaO e MgO, é uma opção na fabricação de briquetes. Oliveira [22] cita que ligantes hidráulicos são, em sua maioria, óxidos capazes de se rehidratar e controlam propriedades reológicas dos materiais em que eles estão inseridos. O aumento de temperatura é característico das reações de hidratação desses ligantes. O desempenho mecânico da mistura proposta primeiramente é atribuído ao comportamento de material cimentante da escoria conforme ABNT 5735 [7,20,21,22]. Permitindo com isso a substituíção da bentonita, que eleva bastante o custo dos produtos finais, como pode ser visto na Tabela 8. Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 Tabela 7 - Valores de Resistência em MPa das Matérias Primas Extraídos da Literatura Tabela 8 - Contribuição do aglomerante no custo final do produto [7] [7] As escórias de uma maneira geral são constituídas por óxidos, como sílica (SiO2), óxido de cálcio (CaO), óxido de alumínio (Al2O3), óxido de manganês (MgO) e óxido de ferro (FeO), além de Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 silicatos como FeO.SiO2, MnO.SiO2 e CaO.SiO2. Quimicamente, a escória é uma mistura de cal (CaO), sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), ou seja, os mesmos óxidos que constituem o cimento Portland, mas não nas mesmas proporções, o que pode ser visto na Tabela 9 [1,7,20,21,22]. Tabela 9 - Composição química típica das escórias de alto-forno, aciaria e do cimento [7] Na Tabela 10 a seguir pode se ver as principais características da escória de aciaria em comparação com o clínquer e cimento Portland e a escória de alto forno. Tabela 10 - Comparação das características do clínquer Portland a do Cimento Portland em relação à escória de alto-forno e de aciaria [7] Conforme os dados apresentados nas Tabelas 9 e 10 a mistura de escória após hidratação e com a ativação pela cal passa a ter um comportamento de material cimentitico, um ligante de pega hidráulica que após a secagem confere resistência mecânica ao aglomerado. O uso da cal junto de escórias de aciaria é determinante para a sua ação como ligante,o que já foi confirmado em outros trabalhos [7,20,21,22] mesmo efeito provocado nos cimentos, e os materiais carbonizados como carvão vegetal, coque e biomassas normalmente empregam cal como aglomerante [1,7] Ano 1, Edição nº 2, Vol.1 , Nº1 , Setembro – 2019 6 – CONCLUSÕES No processo de briquetagem deve-se utilizar-se o aglomerante que melhor atende as condições de fabricação, propriedades mecânicas e custos baixo. Os briquetes apresentaram resistência suficiente para serem utilizados em altos-fornos. As escórias de produção de aço podem ser utilizadas como aglomerantes de pega úmida, conferindo a resistência mecânica desejada em briquetes siderúrgicos. A mistura de escória de produção de aço pode ser utilizada como material ligante de secagem natural, eliminando o processo de estufagem. O uso de biomassa permite economizar na utilização do termorredutor granulado natural tipo carvão vegetal. Aglomerando-se os resíduos diminui-se os passivos ambientais. A matéria-prima tem maior influência sobre a qualidade dos briquetes do que as variáveis do processo. Desta forma, a utilização de briquetes de biomassa carbonizada em altos-fornos, apresenta-se como uma oportunidade para empresas que pretendem aumentar as vantagens competitivas, como reduzir custos e contribuir para evitar danos ao meio ambiente. 5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] [1] BAPTÍSTA, A. L. B. – O Processo de Briquetagem. Caderno Técnico. Laboratório de Metalurgia Extrativa. 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