Introdução
Conforme mostra a figura abaixo, os combustíveis sólidos utilizados na geração de energia são o Carvão, o Coque de Petróleo, o Bagaço de Cana e resíduos diversos.
Os combustíveis sólidos foram, historicamente, a principal fonte primária de energia utilizada pelo homem.
A descoberta do controle do fogo pelo homem foi uma marca importante na história da raça humana e o combustível sólido esteve sempre presente desde então.
Do ponto de vista de geração de energia elétrica, o carvão ainda é o mais importante.
Contudo, este cenário deverá se modificar no futuro.
Combustão de Combustíveis Sólidos
Apesar do combustível sólido ter uma longa história de utilização pelo homem, os segredos da sua combustão ainda não foram totalmente dominados.
De acordo com Miller, a combustão de combustíveis sólidos envolve processos físicos e químicos e pode ser representada pela seguinte reação simplificada:
As principais simplificações nesta reação são:
- Ausência do Oxigênio no combustível;
- Ausência do Nitrogênio no combustível;
- Ausência de substâncias inorgânicas.
Estas simplificações não afetam muito o balanço energético destes combustíveis mas não podem ser desprezados em outros casos, como no estudo de emissões.
A figura abaixo mostra a estrutura geral de partículas de combustível sólido.
A umidade do ar, do solo e da chuva são as fontes de umidade para o combustível sólido que, em função da porosidade e do tipo de combustível, permanece mais ou menos impregnada na partícula.
Esta parcela do combustível apenas absorve parte da energia do combustível para evaporar e sair do processo com os gases resultantes da combustão na forma de vapor.
Os componentes voláteis são as substâncias presentes nas partículas que, ao serem aquecidas, se desprendem das partículas sólidas e se transformam em gases combustíveis.
Esta parcela do combustível absorve parte da energia da combustão para se separar da parte sólida da partícula mas, ao se misturar com ar com temperatura adequada, entra em combustão e libera energia.
Por sua vez, o carbono sólido é a parte do combustível sólido que permanece neste estado durante todo processo de combustão deste combustível.
Finalmente, as cinzas são os compostos inorgânicos que permanecem no estado sólido e ou líquido durante o processo de combustão e não entram em combustão.
Isto significa que esta parcela do combustível sólido não fornece energia mas absorve parate da energia da combustão no seu aquecimento
Em função desta estrutura do combustível, o fluxograma abaixo resume as etapas da combustão de combustíveis sólidos.
Aquecimento
Inicialmente, o combustível sólido é aquecido até à temperatura de vaporização da água, que depende da pressão no interior da caldeira.
Para aumentar a eficiência do processo, o combustível sólido é previamente processado para que as partículas tenham um tamanho uniforme.
Quanto menor o tamanho da partícula de combustível, mais rápido será o processo de combustão. Por outro lado, quanto menor este tamanho, mais energia deve ser gasta no processamento do combustível.
Como as partículas são porosas, parte da umidade encontra-se no interior do combustível. Por isso, durante a fase de aquecimento, é comum a explosão da partícula formando partículas ainda menores.
O processo de aquecimento é endotérmico e, por isso, absorve calor. Por isso, combustíveis auxiliares são necessários para iniciar a combustão dos combustíveis sólidos.
De acordo com MIller, a transferência de calor no interior da partícula, considerada esférica, é dada pela equação abaixo:
Onde:
- k é a condutividade térmica do combustível;
- A é a área da partícula de combustível;
- Ts é a temperatura na superfície da partícula de combustível;
- Tc é a temperatura no centro da partícula de combustível;
- r é o raio da partícula de combustível.
Pirólise
Durante esta fase, uma vez que não existe mais água para ser vaporizada, a temperatura da partícula volta a subir mas o Oxigênio é insuficiente para oxidar o Carbono, Hidrogênio e Enxôfre existentes no combustível.
Nesta fase, hidrocarbonetos são quebrados formando Alcatrão e Carvão e o calor necessário continua sendo obtido da combustão ocorrida anteriormente.
O Carvão gerado é sempre sólido mas o Alcatrão pode ser líquido ou gasoso, dependendo da temperatura.
A quantidade de Alcatrão e Carvão gerados dependem da temperatura da câmara de combustão e da composição do combustível.
Combustão dos Voláteis
A combustão dos voláteis envolve diversas reações químicas complexas que ocorrem muito rapidamente.
As reações são catalizadas pela existência de radicais livres, principalmente os OH.
Eles são os mais importantes porque iniciam as reações e as propaga de forma extremamente rápida.
A partir do início da combustão dos voláteis, a particula de combustível sólido começa a liberar energia.
Combustão dos Sólidos
A matéria sólida restante após a queima dos voláteis é chamada de carvão, independentemente do combustível sólido inicialmente utilizado.
A combustão deste carvão começa quando o oxigênio consegue encontrar a superfície da partícula sólida aquecida a acima da sua temperatura mínima de combustão.
As reações abaixo são algumas das possíveis de ocorrer durante a combustão do carvão.
Observa-se que a combustão completa do carbono não ocorre sempre devido à dificuldade do oxigênio penetrar na superfície porosa do combustível.
Por isso, a combustão parcial do carbono leva a formação de monóxido de carbono que posteriormente é queimado.
Carvão
O carv�o pode ser considerado uma rocha org�nica sediment�ria.
Ele consiste em mol�culas de carbono, hidrog�nio, oxig�nio e, parcelas menores, de nitrog�nio e enxofre formadas a partir de processos bio-f�sico-qu�micos.
A parcela inorg�nica, sempre muito encontrada no carv�o e denominada genericamente de cinzas, funciona como uma mistura e n�o participa da composi��o qu�mica da parcela org�nica.
A figura abaixo ilustra uma poss�vel mol�cula de carv�o.
Portanto, o carv�o n�o � um produto homogênio. Na verdade, sua composi��o e, consequentemente, suas propriedades de combust�vel variam de mina para mina.
Classificação do Carvão
Por conveniência, toda a gama contínua de carvões é classificada em:
- Antracito;
- Betuminoso;
- Sub-betuminoso;
- Lignito ou linhito.
Esta classificação está diretamente relacionada com a idade geológica do carvão, onde o primeiro grupo, Antracito, é o mais antigo e o último, Lignito, é o mais novo.
A classificação do carvão em categorias práticas e de uso internacional é difícil porque os sistemas de classificação ainda não foram unificados no mundo e existem características que afetam a qualidade do carvão que independem da idade do carvão.
Os critérios internacionais utilizados para a classificação dos carvões baseam-se em:
- Poder calorífico;
- Conteúdo de material volátil;
- Conteúdo de carbono fixo;
- Propriedades de coqueificação.
Além disso, o valor comercial do carvão também é afetado por propriedades que independem de sua idade geológica, tais como:
- umidade;
- cinzas;
- conteúdo de enxofre, fósforo, nitrogênio, etc...
Por isso, a Comissão Econômica Européia classifica o carvão em dois grupos:
- Hard Coal - Carvões com poder calorífico bruto maior do que 5.700 kjcal/kg (23,9 GJ/t) medido sem cinza mas com umidade e com reflectância aleatória média maior que 0,6.
- Brown Coal - Carvões com poder calorífico bruto menor do que 5.700 kjcal/kg (23,9 GJ/t) com conteúdo volátil maior do 31% em base seca.
A Agência Internacional de Energia (International Energy Agency -IEA), sediada na Europa, utiliza esta classificação em todos os seus trabalhos e banco de dados e, consequentemente, é a definição utiliza neste site.
Em termos comerciais e de aplicação, o carvão é classficado em:
- Coque;
- Carvão Térmico.
O coque é um Carvão Duro (Hard Coal) utilizado na produção de aço e, por isso, precisa ter a capacidade de resistir mecanicamente ao peso de uma carga de fornos siderúrgicos.
Por outro lado, o Carvão Térmico (Steam Coal) também é um Carvão Duro (Hard Coal) que não precisa dessa característica mecânica porque é utilizado para a geração de vapor. Este vapor gerado pode ser usado tanto para a geração de eletricidade ou como fonte de calor em processos industriais. Como as caldeiras modernas utilizam carvão pulverizado, é desejável que o Carvão Térmico não tenha a mesma resistência mecânica que a do coque para facilitar a moagem.
Portanto, a IEA calcula o Hard Coal como sendo a soma do Coque (Coking Coal) e do Carvão Térmico (Steam Coal) e igual à soma dos carvões classificados como Antracito e Sub-Betuminoso.
Porém, alguns países utilizam seu carvão sub-betuminoso na geração de vapor e, consequentemente, o classificam como carvão térmico. Isto cria uma dificuldade na análise dos dados globais e na comercialização.
O Brown Coal é a soma dos carvões Sub-betuminosos e Lignitos.
Os Sub-betuminos são carvões não aglomerados com poder calorífico bruto entre 4165 kcal/kg e 5700 kcal/kg e os lignitos também são não aglomerados com poder calorífico bruto abaixo de 4165 kcal/kg.
Teoricamente, é possível gerar energia elétrica com todos os tipos de carvão.
Contudo, aspectos econômicos, logísticos e tecnológicos levaram a geração de energia elétrica ser feita apenas com carvão térmico.
Não tem sentido utilizar carvão metalúrgico para geração de energia porque deixaríamos de produzir aço e teríamos dificuldade de transformar o carvão em pó para as caldeiras. Por isso,o carvão metalúrgico é utilizado totalmente na siderurgia e seu preço é normalmente superior ao preço do carvão térmico ou energético.
A utilização de Brown Coal para a geração de energia elétrica é possível mas, como seu poder calorífico é menor, é necessário queimar uma quantidade maior de carvão para a geração de mesma quantidade de eletricidade. Isto só é economicamente viável se o preço do combustível for muito mais barato e/ou se o custo de transporte for inferior.
Por isso, a utilização de Brown Coal na geração de energia elétrica está registrita aos países produtores deste carvão e ele é pouco comercializado no mercado internacional devido ao custo do transporte.
| Tipos de Carvão | ||||
|---|---|---|---|---|
| Pais | Antracito | Betuminoso | Sub-Betuminoso | Linhito |
Hard Coal |
Brown Coal |
|||
| Mundo |
Coque + Térmico |
|||
| Australia | Térmico |
|||
| Bélgica | ||||
| Finlândia | ||||
| França | ||||
| Islandia | ||||
| Japão | ||||
| Coréia | ||||
| México | ||||
| Nova Zelândia | ||||
| Portugal | ||||
| USA | ||||
Análise do Carvão
Como o carvão é um produto heterogêneo, análises são necessárias para classificá-lo e compará-lo.
Existem dois tipos de análise para a classificação do carvão e/ou controle de qualidade:
- Análise Aproximada (Proximate Analysis);
- Análise Detalhada (Ultimate Analysis).
Análise Aproximada
A análise aproximada fornece apenas os dados de umidade, cinzas e matéria volátil.
Umidade
Conforme visto no cap�tulo de combust�veis, a umidade presente no combustível reduz seu poder calorífico. Portanto, a determinação correta da umidade é fundamental na utilização do carvão e em seu comércio.
Devido à estrutura porosa do carvão, quantidades consideráveis de água podem ser armazenadas no carvão mesmo quando aparentemente seco. A umidade existente no ar ao seu redor penetra nos poros do carvão aprisionando quantidades significativas de água.
Em função disso, diversas condi��es do carv�o foram definidas.
A umidade de uma amostra (ar) é determinada pelo aquecimento da amostra a 105°C em atmosfera inerte (sem oxigênio) durante uns 90 minutos. A perda de peso da amostra antes e depois do aquecimento é considerada igual ao peso da umidade.
Poder Calorífico
O poder calorífico é a principal característica de todos os combustíveis.
A Tabela em anexo apresenta o poder calorífico do carvão
Umidade
Conforme visto anteriormente, a umidade reduz o poder calorífico dos combustíveis. Como o carvão é um material poroso, a umidade varia até com a variação da umidade atmosférica.
