Otimizando a Carbonização do Carvão para Coque Metalúrgico de Alta Qualidade

Carbonização do Carvão para Produção de Coque Metalúrgico

A carbonização do carvão também é conhecida como coquificação do carvão. O processo consiste na decomposição térmica de carvões, seja na ausência de ar ou em atmosfera controlada, para produzir um resíduo carbonáceo conhecido como coque.

A carbonização do carvão pode ser realizada nas seguintes três faixas de temperatura.

• Carbonização a baixa temperatura é normalmente realizada na faixa de temperatura de 500 °C a 700 °C. Neste tipo de carbonização, os rendimentos de produtos líquidos são maiores e há menor rendimento de produtos gasosos. O coque produzido tem maior matéria volátil e é de queima livre.
• Carbonização a média temperatura é feita na faixa de temperatura de cerca de 800 °C. Esta carbonização produz coque macio sem fumaça. Subprodutos produzidos são similares em características à carbonização a alta temperatura. A carbonização a média temperatura é raramente praticada hoje em dia.
• Carbonização a alta temperatura é realizada a uma temperatura acima de 900 °C. Esta carbonização dá maior rendimento de produtos gasosos e menor rendimento de produtos líquidos. Esta carbonização produz coque duro e é normalmente empregada para a produção de coque metalúrgico a partir de carvões coqueáveis.

Processo de Carbonização do Carvão

A transformação de carvão em coque ocorre à medida que o carvão é aquecido. Quando o estado de fusão é atingido, a camada de carvão aquecido amolece e funde. De cerca de 375 °C a 475 °C, o carvão se decompõe para formar camada plástica. Reações de destilação destrutiva progridem rapidamente na camada plástica com evolução de produtos voláteis. A cerca de 475 °C a 600 °C, há uma evolução marcante de alcatrão e compostos aromáticos hidrocarbonetos. O gás e vapor condensável são aprisionados na massa plástica e, à medida que se expandem, tendem a inchá-la. À medida que as reações progridem e a temperatura da zona fundida aumenta, a plasticidade do carvão diminui. Com aquecimento contínuo e evolução do gás, a camada fundida gradualmente se resolidifica em semi-coque com estrutura celular típica de coque. O coque neste estágio ainda contém matéria volátil substancial. À medida que a temperatura aumenta além de 600 °C, a reação de destilação destrutiva continua com evolução de gás e pouco alcatrão. A estabilização do coque ocorre à medida que a temperatura aumenta de 600 °C a 1100 °C. Isso é caracterizado por contração da massa de coque, desenvolvimento estrutural do coque e evolução final de hidrogênio. Neste estágio, as reações finais ocorrem. Estas reações separam hidrogênio de hidrocarbonetos de peso molecular extremamente alto e complexos. Com o aumento da temperatura, a massa de coque encolhe com o desenvolvimento de trincas de retração.

O Mecanismo de Coquescimento

Quando os carvões coqueáveis são carbonizados, primeiro a massa plástica de isotrópico óptico é formada, e subsequentemente cristais líquidos nemáticos lamelares são formados gradualmente. Esta fase polimérica é chamada de mesofase. Esta é a fase intermediária entre o carvão fluido isotrópico e o semi-coque anisotrópico sólido finalmente formado a partir da mesofase, e tem propriedades intermediárias entre sólidos e líquidos. Se a fluidez da fase intermediária for bastante alta, a mesofase coalesce imediatamente em uma única unidade maior. Em uma faixa de temperatura crescente, a mesofase é formada continuamente, cresce em tamanho e finalmente se tocam. Assim, a mesofase pode solidificar e converter de carvão coqueável em textura anisotrópica óptica de coque.

História dos Carvões Coqueáveis

O coque foi produzido na China antiga, segundo fontes históricas datadas do século IV. O povo chinês usou coque pela primeira vez para aquecimento e cozimento não mais tarde que o século IX. Em 1709, um alto-forno a coque para produzir ferro fundido foi estabelecido na Grã-Bretanha. Durante o início do século XVIII, o coque era fabricado queimando carvão em montes no chão de forma que apenas a camada externa queimasse, deixando o interior do monte em estado carbonizado.

O processo 'Hearth' de fabricação de coque, usando carvão em blocos, continuou a ser usado em muitas áreas durante a primeira metade do século XIX. Este processo era similar ao de queima de carvão vegetal, mas usando um monte de carvões cobertos com poeira de coque em vez de um monte de madeira preparada, coberta com galhos, folhas e terra.

Estes levaram subsequentemente ao desenvolvimento de fornos de colmeia de diferentes formas e tamanhos para atender às demandas crescentes de coque duro para fundição de ferro.

Fornos de Colmeia

Um forno de colmeia é uma câmara simples de tijolo refratário construída com teto abobadado de forma que a forma interna seja a de uma colmeia antiquada. Suas dimensões são tipicamente 4 m de largura e 2,5 m de altura. Fornos de colmeia são geralmente construídos em fileiras, um forno ao lado do outro com paredes comuns entre fornos vizinhos. Tal fileira de fornos é denominada bateria. Uma bateria geralmente consiste em muitos fornos, às vezes centenas, em uma fileira. Seção transversal típica de um forno de colmeia é mostrada na Fig. 1.

Fig. 1 Seção transversal típica de um forno de colmeia

Trilhos para manuseio do carvão para os fornos corriam ao longo dos topos; e outros trilhos para manuseio dos vagões de coque corriam ao lado dos fornos. O teto tem um buraco para carregar o carvão ou outro tipo de lenha do topo. O orifício de descarga é fornecido na circunferência da parte inferior da parede.

O carvão é carregado em um forno vazio através do buraco no ápice da cúpula. Forma um monte em forma de cone que é nivelado em uma camada uniforme por meio de um ancinho passado pela porta para produzir uma camada uniforme de cerca de 600 mm a 900 mm de profundidade.

O processo de carbonização é iniciado por meio do calor retido nas paredes do forno da carga anterior de carvão. Quase imediatamente após o carregamento, gás consistindo de matéria volátil é produzido do carvão. O ar para combustão é admitido através de uma abertura no topo da porta do forno ou através da porta lateral. O início da carbonização produz matéria volátil que é queimada dentro da porta lateral parcialmente fechada. A carbonização prossegue de cima para baixo. O calor é suprido pela queima da matéria volátil, então nenhum subproduto é recuperado. Os gases de escape são permitidos escapar para a atmosfera.

O tempo de coquificação, que depende amplamente da profundidade da camada de carvão, varia de 48 a 72 horas. À medida que a coquificação prossegue, o volume de gás evoluído diminui, e o tamanho da abertura na porta é correspondentemente diminuído ou pela introdução de tijolos na abertura superior. Isso regula a quantidade de ar e previne a entrada de volume excessivo de ar, que de outra forma queimaria parte do coque e poderia ser suficiente para resfriar o forno também.

O coque quente é resfriado com água e descarregado manualmente pela porta lateral. Quando a coquificação está completa, a porta é aberta e o coque branco-quente é resfriado por jato de água dirigido através da abertura. O coque resfriado é então retirado do forno manualmente e carregado em vagões de trem para transporte. As paredes e o teto retêm calor suficiente para iniciar a carbonização da próxima carga.

Quando o carvão é queimado em um forno de coque, as impurezas do carvão não já eliminadas como gases se acumulam para formar escória, que é efetivamente uma conglomerado das impurezas removidas. Como não é o produto de coque desejado, a escória é descartada ou usada como ingrediente na fabricação de tijolos, cimento misto, e até mesmo como fertilizante.

Novos fornos são levados à temperatura aquecendo com carvão ou madeira antes do carregamento.

A coquificação em fornos de colmeia é agora um processo obsoleto devido à pequena quantidade que fabricava e à grande quantidade de poluição que produzia. No entanto, ainda está sendo usado.

Baterias de Fornos de Coque de Subprodutos

A quantidade máxima de produção global de coque vem destas baterias. O carvão nestas baterias é carbonizado na ausência de ar e estas baterias são operadas com pressão positiva nos fornos. O processo de fabricação de coque nestas baterias de fornos de coque de subprodutos é chamado de fabricação de coque de subprodutos, já que o gás de escape é coletado e enviado à planta de subprodutos onde vários subprodutos são recuperados. A maioria das baterias de fornos de coque de subprodutos são integradas em uma usina de ferro e aço para o propósito de gás de forno de coque.

Detalhes da fabricação de coque em baterias de fornos de coque de subprodutos e planta de subprodutos de forno de coque são dados em artigos separados sob os links https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ e https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/.

Baterias de Fornos de Coque Sem Recuperação

Em baterias de fornos de coque sem recuperação, o carvão é carbonizado em grandes câmaras de forno. O processo de carbonização ocorre do topo por transferência de calor radiante e do fundo por condução de calor através do piso sole. Ar primário para combustão é introduzido na câmara do forno através de várias portas localizadas acima do nível de carga em ambas as portas do lado do empurrador e do lado do coque do forno. Gases parcialmente combustados saem da câmara superior através de passagens 'down comer' na parede do forno e entram no sole flue, aquecendo assim o sole do forno. Gases combustados se coletam em um túnel comum e saem via chaminé, criando uma tiragem natural no forno. Como os subprodutos não são recuperados, o processo é chamado de fabricação de coque sem recuperação. Nestes baterias, geralmente o gás de escape sai em uma caldeira de recuperação de calor residual que converte o excesso de calor em vapor para geração de energia, hence este processo também é chamado de fabricação de coque com recuperação de calor. Detalhes da fabricação de coque em baterias de fornos de coque sem recuperação são dados em artigo separado sob o link https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/.