A principal proposta de uma bateria de coque é produzir coque a partir de uma mistura de carvões de características adequadas. A Coqueria é suprida pelos pátios de carvões, nos quais o carvão estocado é britado e dosado até atingir a granulometria ideal para o processo de coqueificação.
O coque pode ser produzido em baterias de fornos com frente de coqueificação vertical (tecnologia by-product ou convencional) ou horizontal (tecnologia heat-recovery ou non- recovery). Em uma Coqueria heat-recovery todos os voláteis são queimados dentro do forno e o gás residual é alimentado em uma caldeira de recuperação de calor, onde vapor de alta pressão é produzido para fins de aquecimento ou geração de energia. Já na tecnologia by-product, a matéria volátil liberada no processo de coqueificação é coletada e refinada em produtos (TOWSEY et al., 2013; OSÓRIO et al., 2008).
Neste tópico, é descrito o processo de coqueificação pela tecnologia by-product ou convencional, tipo existente na Coqueria da GERDAU – Ouro Branco.
A coqueificação é um processo de destilação para a remoção de matéria volátil no carvão pelo seu aquecimento em uma atmosfera fechada (Figura 3.19), em faixas de temperatura entre 1000 e 1350°C por 16 a 20 horas (MACHADO, 2003).
Figura 3.19: Decomposição química do carvão pelo seu aquecimento em ausência de ar (ISLER, 2016).
O carvão é carregado pelo topo da bateria através do carro de carregamento e quando em contato com as duas paredes aquecidas, o calor é transmitido por condução para o centro da carga. A
29 direção do fluxo de calor é perpendicular às paredes de aquecimento, formando duas zonas plásticas que se movem em direção ao centro do forno (Figura 3.20). Após a completa coqueificação, as portas são removidas, e então, o coque é descarregado. (NISCHIGUCHI et at., 2015).
Figura 3.20: Comportamento da carga no processo de coqueificação: (a) algumas horas depois do processo e (b) no final do processo (ULHÔA, 2003).
As principais etapas do processo da coqueificação são:
Perda de umidade: ocorre a temperaturas entre 100 °C e 150 °C e caracteriza-se pela
liberação da umidade presente no carvão;
Desvolatização primária: é o primeiro estágio da coqueificação propriamente dita e
ocorre entre temperaturas de 350 °C a 550 °C, com a liberação intensa de hidrocarbonetos pesados e alcatrão;
Fluidez: ocorre entre 450 °C e 600 °C. O material se torna fluido e pastoso devido ao
rompimento das pontes de oxigênio presentes em sua estrutura química;
Inchamento: etapa que ocorre paralelamente à fluidez devido à pressão dos gases
difundindo-se na estrutura de microporos do carvão;
Resolidificação: ocorre em temperaturas próximas de 700 °C, formando o semi-coque.
Determina em grande parte a qualidade do coque, uma vez que uma resolidificação sem formação de fissuras originará um produto de elevada resistência mecânica;
Desvolatização secundária: última fase do processo que ocorre na faixa situada entre
850 °C e 1300 °C com eliminação, sobretudo de hidrogênio. Nessa etapa, o coque já está completamente solidificado, assumindo um aspecto muito escuro e sem brilho. Dá-se então
30 mais tempo para que acima dessa temperatura para que ocorra uma hiper-coqueificação, conferindo ao coque uma cor cinzenta e aspecto brilhante (SILVA, 2011)
Os gases gerados no processo de coqueificação são conduzidos para a área do carboquímico que geram diversos coprodutos para consumo interno e externo. Já o coque produzido, antes de ser manipulado e conduzido até o Alto-forno, é submetido a um tratamento de resfriamento que pode ser feito a úmido ou seco para impedir a sua queima.
Na torre de concreto de extinção a úmido tradicional, Figura 3.21, ocorre o apagamento súbito do coque, o qual recebe o fluxo de água na sua parte superior em um processo que dura cerca de 2 a 3 minutos. Devido a rápida transferência de calor, a água evapora-se parcialmente com algumas partículas de coque que serão removidas pelo sistema de redução de poeira, minimizando a emissão de poluentes no vapor lançado para a atmosfera. Ao final do processo, o coque possui uma temperatura abaixo de 100°C e teor de umidade cerca de 4-8% (ESPOSITO et al., 2016).
Na tecnologia conhecida como Coke Stabilizing Quenching (CSQ) (Figura 3.21), uma evolução do processo de extinção a úmido, o coque recebe o fluxo de água de maneira combinada pelo topo e pelo fundo reduzindo o tempo de extinção que dura menos de 30 segundos. O resfriamento rápido com água interrompe a geração de gás quase que instantânea. Além disso, nessa tecnologia, dois deflectores são arranjados em dois níveis permitindo a redução de poeira equivalente ao limite de emissão da tecnologia de extinção à seco, isto é, um máximo de 10g de poeira por tonelada de coque produzido. A umidade do coque no final do processo é de aproximadamente 2% (LISZIO, 2016).
31 A técnica de extinção à seco do coque ou Coke Dry Quenching (CDQ), introduzida em 1920 pelos irmãos Sulzer na Rússia e década depois melhorada pelo Instituto Giprokoks, consiste basicamente de uma torre de extinção (pré-câmera e câmera de refrigeração), uma caldeira de recuperação do calor residual e uma turbina geradora de vapor e eletricidade, como mostra a Figura 3.22 (SUN et al., 2015).
Figura 3.22: Fluxograma do Processo de Extinção a Seco do Coque (SUN et al., 2015).
O coque incandescente a uma temperatura típica de 1050°C é carregado dentro de uma pré- câmera no topo do reator. A torre de extinção age como trocador de calor, na qual o gás de circulação, composto principalmente de nitrogênio (cerca de 70%) e arrefecido a partir da caldeira de recuperação, é introduzido no fundo da torre (a cerca de 130°C) e entra em contato com a carga de coque descendente resfriando-o, o qual deixa a torre de extinção a uma temperatura de aproximadamente de 200°C e com teor de umidade de quase 0% (ERREERA et al., 2000; SUN et al., 2015; LISZIO, 2016).
Após, o gás quente em torno de 900-980°C dirige-se a caldeira, onde em contato com água gera vapor. O vapor de alta pressão passa pela turbina para gerar eletricidade, enquanto que o vapor de baixa pressão passa pelo sub economizador e retorna a um novo ciclo do processo de CDQ que tem duração de cerca de 2 a 5 horas (ERREERA et al., 2000; SUN et al., 2015; LISZIO, 2016).
Por ser considerada uma técnica de eficiência energética e ambientalmente amiga, o processo de CDQ tem sido bastante empregado no Japão (difusão de aproximadamente 90%), Índia e Rússia (NAGAHIRO et al., 2005; ESPOSITO et al., 2016). No entanto, a extinção a úmido é
32 ainda amplamente utilizada em todo o mundo devido ao seu baixo custo de investimento e principalmente, em países onde há ampla disponibilidade de água (ESPOSITO et al., 2016).