Panel Veri Analizi ve Tahmin Sonuçları

Análises imediatas do carvão, reconhecidas internacionalmente, envolvem a determinação de quatro parâmetros: umidade, material volátil, carbono fixo e índice de cinzas (WARNE, 1996). Por muito tempo, estes parâmetros têm sido determinados por diferentes métodos padrão. Entretanto, procedimentos padrão para estas análises são tediosos, consomem tempo e dependem da habilidade do operador (KARATEPE e KÜÇÜKBAYRAK, 1993). Devido a isto a termogravimetria é uma alternativa lógica, como indicado originalmente por Fyans (1997)10. Para Karatepe e Küpükbayark (1993) a termogravimetria é ideal para este tipo de análise, que envolvem mudanças da massa sob determinadas condições de temperatura, tempo e atmosfera.

Além dos métodos padrões (normas ASTM11 _{e ABNT}12_{), há na literatura propostas} para obtenção da análise imediata do carvão usando a técnica TG com diferentes programações experimentais (ELDER, 1983; MUÑOZ-GUILLENA et al., 1992; KARATEPE e KÜÇÜKBAYRAK, 1993; WARNE, 1996; KÖK e KESKIN, 2001; MAYORAL et al., 2001). Em todas estas propostas utiliza-se sempre uma atmosfera inerte para se determinar o conteúdo de umidade e voláteis. Então, ao se atingir uma determinada temperatura (entre 850 e 1000 oC) a amostra é submetida a uma atmosfera oxidante, de modo que o carbono fixo seja

10 _{Fyans, R. L. Thermal Analysis Application Study No. 21, Perking-Elmer Corp., Norwalk, CT, 1997 (Apud}

Elder, 1983).

11 _{American Society for Testing and Materials: normas D3172-89; D3173-03; D3174-04 e D3175-07.} 12 _{Associação Brasileira de Normas Técnicas: norams NBR8293, NBR8290 NBR8299 - NBR8289.}

queimado e obtendo-se no final do processo as cinzas.

Elder (1980)13 desenvolveu programações para testes termogravimétricos na determinação de umidade, material volátil, carbono fixo e cinzas para amostras de carvão, biomassa e xisto de óleo. Em continuidade a este trabalho, Elder (1983) compara os valores da análise elementar, obtidos em testes TG e em especificações ASTM, utilizando amostras de carvões de variados rank, biomassa e de xistos de óleo. Os resultados em TG mostraram-se precisos e exatos quando confrontados às especificações ASTM. O autor sugere que, devido a sua simplicidade, a técnica TG pode ser substituída pelo método clássico ASTM, quando não for possível o emprego deste último procedimento.

Karatepe e Küpükbayark (1993) determinaram os mesmos parâmetros estudados por Elder (1983) para 24 amostras de linhito provenientes de diferentes reservas de carvão da Turquia, utilizando métodos TG e ASTM. Os autores consideraram boa concordância na comparação dos valores obtidos nos métodos estudados. As diferenças percentuais médias obtidas nos testes TG e ASTM para umidade, cinzas, voláteis e carbono fixo foram de 0,38%, 0,68 %, 1,52 % e de 1,47 %, respectivamente.

Mayoral et al. (2001) também fez um estudo para avaliar o uso da termogravimetria na análise imediata de carvões. Os autores comentam que em algumas condições experimentais apresentadas na literatura não é possível determinar o ponto final do processo de devolatilização. Entretanto, de modo geral os autores relatam uma boa concordância dos resultados obtidos em análise TG com aqueles obtidos pelo método ASTM.

Outro ponto a ser discutido é com relação ao tempo requerido nos testes. Geralmente os autores consideram a rapidez do teste como uma vantagem da técnica TG quando comparado

13 Elder, J.P. Proc. “10th North American Thermal analysis Society Conference”, Boston, MA, 1980, p.247 (apud Elder, 1983)

ao método ASTM, que requer tempo de ensaios superior a 5 h. Na proposta de programação dada pelo método da TA Instruments14 o tempo de ensaio TG é de 15 min, enquanto outros autores propõem programações que variam de 40 a 100 min. Deve-se ainda computar o tempo do teste para retirar flutuações do equipamento e erros sistemáticos (branco), dobrando-se então o tempo requerido.

2.2.2. TEMPERATURA DE IGNIÇÃO DO CARVÃO

O comportamento da ignição de partículas de carvão é também uma característica importante a ser considerada estão relacionadas em projetos de caldeiras e controle do processo da combustão (CRELLING et al., 1992; FAÚNDEZ, et al., 2005). Há na literatura vários trabalhos a respeito deste assunto, sendo que de modo geral há uma concordância em que a ignição das partículas de carvão pode ser um processo multiestágio (CRELLING et al., 1992; ESSENHIGH, et al., 1989, ZHANG e Wall, 1994, DAVINI, et al., 1996; CHEN, et al., 1996). Entretanto, a classificação do mecanismo da ignição do carvão difere um pouco de autor para autor.

Crelling et al. (1992) investigaram a combustão de carvões com diferentes rank com o objetivo de predizer o comportamento de combustão, através dos perfis das curvas TG. Os autores observaram oito temperaturas de interesse, relacionadas com os fenômenos de: inicio da quimissorção (T1); taxa máxima de quimissorção (T2); inicio da combustão (T3); primeira

ignição (T4); segunda ignição (T5); taxa máxima de reação (T6); queima de 50 % do material

orgânico (T7); queima completa do material orgânico (T8) (Figura 1).

Segundo Chen et al. (1996), extensivas pesquisas sobre o mecanismo de ignição de partículas de carvão classificam a ignição em três tipos: homogênea ou de voláteis liberados

14 _{Thermal Analysis Application Brief – Proximate Analysis of Coal and Coke, Number TA-129, disponível em}

do carvão; heterogênea ou da superfície das partículas de carvão; hetero-homogênea, que resulta da ignição simultânea dos voláteis e da superfície das partículas de carvão. Estes três tipos de ignição dependem da qualidade do carvão, tamanho das partículas índice de voláteis.

Figura 1: Temperaturas de interesse relacionadas com o processo de combustão (adaptado de J. C. Crelling et al., 1992).

Essenhigh et al. (1989) afirmam que apesar da ignição de partículas de carvão ser um problema que tem sido estudado há mais de 150 anos, somente mais recentemente teve-se um progresso significativo no entendimento do seu mecanismo. Eles descrevem que as partículas de carvão podem entrar em ignição de forma homogênea, pela prévia pirólise e subseqüente ignição dos voláteis, no caso de partículas grandes (> 100 μm) com aquecimento lento (< 100 oC/s), ou de forma heterogênea, pelo ataque direto do oxigênio na partícula por completo, no caso de partículas pequenas com rápido aquecimento. Os autores afirmam ainda que geralmente a ignição homogênea ocorra em dois estágios e a heterogênea pode envolver três estágios. Na ignição homogênea, primeiramente ocorre ignição e combustão dos voláteis, em uma chama circundante, que impede a reação do char (carbono fixo e cinzas) pela ausência do oxigênio. Na etapa heterogênea a ignição é dada pelo ataque direto do reagente

gasoso ao carvão por completo, não somente ao char, e a reação heterogênea consome o material que seria expelido de outra maneira como voláteis.

Chen et al. (1996) investigaram o mecanismo da ignição, considerando o efeito do tamanho da partícula, para o carvão em três diferentes qualidades (linhito, carvão betuminoso e antracito). Neste estudo, foi adotada a medida combinada da ignição do TG e DTA. O princípio desta técnica é baseado no fato que quando a amostra entra em ignição homogênea, dois picos exotérmicos aparecem na frente e na parte posterior de um ponto onde a curva TG da combustão e a curva TG da pirólise se separam. Os autores concluíram que em relação a melhor qualidade de carvão, de linhito a betuminoso e a antracito, o tipo da ignição muda de homogêneo, a hetero-homogêneo e a heterogêneo, respectivamente. Os resultados dos testes TG/DTA mostraram-se excelentes para a determinação exata da temperatura da ignição de partículas de carvão.

Segundo Yang et al. (2005) a temperatura de ignição de carvão em combustores de leito fluidizado circulante é a menor temperatura requerida para a combustão estática do carvão. O autor ainda afirma que temperatura de ignição é tradicionalmente estimada a partir da experiência, com pouca base teórica e incertezas relativamente grandes, resultando em dificuldades operacionais do processo e perdas econômicas. Se o carvão for alimentado a temperaturas abaixo da temperatura de ignição, não ocorrerá a queima e a temperatura do sistema irá diminuir ainda mais. Uma vez que a concentração de combustível e a temperatura do forno chegar a condições críticas, ocorrerá o flashpoint da mistura e a temperatura do forno irá aumentar bruscamente ocorrendo problemas de controle do processo.

Jia et al. (2006) investigaram a ignição de carvão, coque de petróleo e seus blends utilizando combustores de leito fluidizado em escala de bancada e piloto e também analisador termogravimétrico. No reator em escala de bancada os autores avaliaram os perfis das

concentrações de CO-CO2 em função do tempo e a temperatura do leito. Na unidade em escala piloto, o aumento dos níveis das concentrações de SO2 foi usado como o indicador da temperatura de ignição do combustível. Os autores obtiveram diferenças significativas nos valores de temperatura de ignição para os combustíveis em decorrência dos diferentes métodos e critérios de ensaios utilizados. Os resultados mostraram que o coque (baixo teor volátil) teve maior dificuldade em entrar em ignição, sendo que a ignição não foi simplesmente uma função de teor volátil.