As pelotas queimadas resultantes dos experimentos foram ensaiadas em prensa de compressão, conforme norma ASTM E382-12 (Standard Test Method for Determination of Crushing Strength of Iron Ore Pellets), em pelotas de 9,5 a 12,5 mm de diâmetro. Devido à irregularidade das pelotas, os diâmetros medidos não são exatos, porém pertencem a faixa estabelecida na norma.
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Figura 37: Ensaio de resitência a compressão das pelotas queimadas.
Foram feitos pelo menos oito ensaios de compressão para cada tipo de experimento (Figura 37). Para cada um deles, foram identificadas as tensões máximas de compressão alcançadas do primeiro pico, conforme exemplos abaixo (Figura 38 e Figura 39), que demonstram os comportamentos obtidos.
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Figura 38: Curva de tensão (daN) x deformação (mm) para pelota de experimento com velocidade máxima de ar, 15 % de carvão e presença de base.
Figura 39: Curva de tensão (daN) x deformação (mm) para pelota de experimento com velocidade máxima de ar, 15 % de carvão e presença de base.
Os resultados dos ensaios de resistência à compressão foram demonstrados a seguir, plotando a tensão máxima do primeiro pico e diâmetro das pelotas e
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avaliando intervalo de confiança de 95 % e foram relacionados com os parâmetros de temperatura e tempo de residência no reator.
6.5.1 INFLUÊNCIA DA BASE NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Para avaliação da influência da presença de base na resistência a compressão das pelotas, foram fixadas a velocidade do ar e percentual de carvão e comparados os resultados com e sem presença de base.
Os experimentos com vazão máxima de ar, 15 % de carvão e base obtiveram pelotas em média 5 vezes mais resistentes do que as pelotas dos experimentos sem base e mesmos parâmetros. Em termos de temperatura, os experimentos com base alcançaram temperatura máxima de 1,33 vezes as alcançadas nos experimentos sem base, ou seja, temperaturas máximas de 1230 ºC e 928 ºC para os experimentos com e sem base, respectivamente (Figura 40 e Figura 41).
Figura 40: Análise da influência da base para experimentos com vazão máxima de ar e 15 % de carvão – experimento com base.
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Figura 41: Análise da influência da base para experimentos com vazão máxima de ar e 15 % de carvão - experimento sem base.
Os experimentos com vazão máxima de ar, 10 % de carvão e base obtiveram pelotas em média 7 vezes mais resistentes do que as pelotas dos experimentos sem base e mesmos parâmetros. Em termos de temperatura, os experimentos com base alcançaram temperatura máxima de 2,4 vezes as alcançadas nos experimentos sem base, ou seja, temperaturas máximas de 1230 ºC e 501ºC para os experimentos com e sem base, respectivamente (Figura 42 e Figura 43).
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Figura 42: Análise da influência da base para experimentos com vazão máxima de ar e 10 % de carvão – experimento com base.
Figura 43: Análise da influência da base para experimentos com vazão máxima de ar e 10 % de carvão – experimento sem base.
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Foi constatado que a presença de base aumenta a resistência à compressão das pelotas, independentemente da concentração de carvão no reator, devido às maiores temperaturas alcançadas, conforme mostrado no item 4.3.
6.5.2 INFLUÊNCIA DO PERCENTUAL DE CARVÃO NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Para avaliação da influência da presença do percentual de carvão na resistência a compressão das pelotas, foram fixadas a velocidade do ar e base e comparados os resultados com 15 %, 10 % e 5 % de carvão (Figura 44, Figura 45 e Figura 46). Avaliando os experimentos com base e velocidade máxima de ar, quanto maior a concentração de carvão, maior a resistência média a compressão obtida. Devido a forte influência da base na resistência das pelotas, a redução da resistência foi mais percebida para os experimentos com 5 % de carvão. Ao reduzir o percentual de carvão de 15 % para 10 %, houve redução de 23 % na resistência das pelotas. Para ambas as concentrações, as temperaturas máximas obtidas nesses casos foram similares, da ordem de 1233 ºC (Figura 44 e Figura 45). Já ao reduzir o percentual de carvão de 10 % para 5 %, a redução na resistência foi de 70 % e a temperatura máxima alcançada foi da ordem de 1127 ºC (diferença de 106 ºC) (Figura 46).
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Figura 44: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 15 % de carvão e presença de base.
Figura 45: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 10 % de carvão e presença de base.
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Figura 46: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 5 % de carvão e presença de base.
Assim como observado nos experimentos com velocidade máxima de ar, para velocidade média, quanto maior a concentração de carvão, maior a resistência à compressão obtida. Da mesma forma, devido a forte influência da base na resistência das pelotas, os experimentos com 15 % de carvão obtiveram pelotas com resistência de 84,8 da enquanto que os experimentos com 10 % de carvão obtiveram resistência de, no máximo, 48 daN, apesar da resistência média de ambos ser equivalente, de 24 daN (Figura 47 e Figura 48).
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Figura 47: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade média de ar, 15 % de carvão e presença de base.
Figura 48: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade média de ar, 10 % de carvão e presença de base.
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Devido a forte influência da base na resistência das pelotas, é necessário avaliar a influência do percentual de carvão para os experimentos sem base, fixando a velocidade do ar. Assim, foram analisadas as pelotas com 15 % e 10 % de carvão e velocidade máxima de ar (Figura 49 e Figura 50). Foi constatado que a resistência média das pelotas para 15 % de carvão foi de 1,77 vezes a da obtida para 10 % de carvão, sendo 9,37 e 5,28 daN respectivamente, ou seja, houve redução de 43 % na resistência das pelotas. Para os experimentos com base, essa redução foi da resistência foi de 23 %, demostrando que a influência do percentual de carvão é maior para os experimentos com base, porém resulta em pelotas menos resistentes.
Figura 49: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 15 % de carvão e sem presença de base.
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Figura 50: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 10 % de carvão e sem presença de base.
Analisando os valores médios de resistência à compressão e temperaturas máximas alcançadas para os experimentos com vazão máxima de ar, foi observado que nos experimentos sem base a variação da quantidade de carvão na mistura de carvão e pelotas teve mais influência na resistência à compressão das pelotas se comparados aos experimentos com base. Outra observação é que os experimentos com base produziram pelotas com resistência significativamente maior do que os experimentos sem base (Figura 51).
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Figura 51: Comparativo da resistência média à compressão de pelotas dos experimentos com vaelocidade máxima de ar, com e sem base para 15 %, 10 % e 5 % de carvão.
6.5.3 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DO AR NA RESISTÊNCIA À
COMPRESSÃO
A velocidade do ar no reator é um parâmetro de grande importância visto que, junto à concentração de carvão, determina o tempo de residência do material no reator. Quanto menor for o tempo residência no reator, maior será a produtividade do processo, o que é fundamental no processo produtivo de pelotização.
Para avaliação da influência da velocidade do ar na resistência à compressão das pelotas foram fixados o percentual de carvão e base e comparados os resultados para vazão máxima e média de ar.
Avaliando os experimentos com base e 15 % de carvão, quanto maior a do ar, maior a resistência à compressão das pelotas produzidas (Figura 52 e Figura 53). O mesmo ocorreu para os experimentos com 10 % de carvão (Figura 54 e
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Figura 52: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 15 % de carvão e presença de base.
Figura 53: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade média de ar, 15 % de carvão e presença de base.
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Figura 54: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade máxima de ar, 10 % de carvão e presença de base.
Figura 55: Resistência à compressão de pelotas dos experimentos com velocidade média de ar, 10 % de carvão e presença de base.
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Analisando em termos médios, ao variar o percentual de carvão e velocidade do ar, observou-se que, para uma mesma concentração de carvão, os experimentos com velocidade máxima de ar alcançaram maior resistência média à compressão.
Para os experimentos com base, em termos de temperatura, para 15 % de carvão a temperatura máxima alcançada para os experimentos com vazão máxima e média foram muito próximas, na ordem de 1230 ºC. No entanto, a resistência média à compressão das pelotas dos experimentos de 15 % de carvão representou 1,9 vezes o valor obtido para 10 % de carvão.
Para os experimentos com base e 10 % de carvão foi observada diferença significativa nas temperaturas máximas obtidas para velocidades máxima e média de ar, de 1242 ºC e 501 ºC respectivamente. A resistência média à compressão também foi superior para velocidade máxima de ar, em 7 vezes do valor obtido para a velocidade média de ar, influenciada também pelas temperaturas máximas obtidas.
Esse resultado mostra que a resistência à compressão das pelotas é influenciada não apenas pelas temperaturas máximas alcançadas, mas também pela velocidade do ar no reator. Quanto maior a temperatura e velocidade do ar no reator, maior a resistência média à compressão das pelotas produzidas (Figura 56).
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Figura 56: Comparativo da resistência média à compressão de pelotas dos experimentos com base, com velocidade máxima e média de ar para 15 %, 10 % de carvão.
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7 CONCLUSÃO
O objetivo principal deste trabalho foi estabelecer queima controlada das pelotas utilizando carvão vegetal, correlacionando os aspectos do processo com a resistência à compressão das pelotas produzidas e comportamentos de temperatura obtidos. Para possibilitar esse ganho, foi utilizado reator de leito fixo e foram feitos diversos experimentos utilizando carvão e pelotas, variando os principais parâmetros do processo de pelotização: concentração de carvão, velocidade do ar e presença de base inferior de carvão. Para tais experimentos, foram obtidos e analisados cuidadosamente os resultados de temperatura, consumo de O2 e geração de CO2 e resistência à compressão das pelotas sinterizadas. Dessa forma, foi possível estabelecer a relação entre os parâmetros de processo e a resistência à compressão das pelotas e temperaturas obtidas, obtendo-se os seguintes ganhos:
Possibilidade de aplicar os parâmetros do processo (concentração de carvão, velocidade do ar e presença de base inferior) em indústria de pelotização, adaptando o processo para operar com carvão, reduzindo custos com gás natural e trazendo flexibilidade operacional;
Geralmente, no mercado da pelotização a resistência à compressão é um dos fatores que influencia diretamente o preço de venda da pelota e também um requisito contratual entre cliente e fornecedor. Através da correlação entre os parâmetros do processo e faixa de resistência à compressão obtida, tornou-se possível moldar o processo para que produza as pelotas com a resistência requerida pelo cliente;
Possibilidade de mensurar a quantidade de combustível mínima necessária para se obter pelotas com determinada resistência à compressão. Neste trabalho foi utilizado o carvão vegetal com 17,07 % de carbono fixo. Entretanto, podemos usar quaisquer outros resíduos carbonosos, bastando para tanto conhecer o percentual de carbono fixo e extrapolar os resultados obtidos com o carvão vegetal.
A falta de uniformalização da bibliografia a cerca das fases da combustão das pelotas até então não permitia relacionar corretamente as temperaturas e
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reações termoquímicas. Com a análise de gases de combustão e medições de tempertatura feitas neste trabalho, foi possível entender as reações no reator e faixas de temperatura no qual ocorrem.
Outro parâmetro importante foi a velocidade do ar. O maior desempenho dos experimentos com velocidade máxima de ar comparados aos com vazão média de ar foram importantes para que se tenha maior produtividade sem que haja perda de resitência à compressão das pelotas resultantes.
Devido à caracterização do carvão vegetal utilizado e determinação da quantidade de carbono fixo, pode-se posteriormente propor a utilização de outros combustíveis carbonosos além do carvão vegetal.
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8 REFERÊNCIAS
Alexandra, P., & Teixeira, L. (n.d.). Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência.
ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). (2003). Carvão Mineral. Retrieved from http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/08-carvao(2).pdf
Barati, M. (2008). Dynamic simulation of pellet induration process in straight-grate system. International Journal of Mineral Processing, 89(1-4), 30–39. doi:10.1016/j.minpro.2008.09.008
Características dos carvões brasileiros. (2011). Retrieved June 01, 2014, from http://ppegeo.igc.usp.br/scielo.php?pid=S0375-
75362011000200005&script=sci_arttext
Carolina, A. N. A., & Campos, M. (2008). CARVÃO DE Eucalyptus : EFEITO DOS PARÂMETROS DA PIRÓLISE SOBRE A MADEIRA E SEUS COMPONENTES QUÍMICOS E PREDIÇÃO DA QUALIDADE.
Cooke, Strathmore R. B. ; Stowasser, William F., J. (2008). The Effect Of Heat Treatment And Certain Additives On The Strength Of Fired Magnetite Pellets.
Mining Engineering 1952, IV, 1223–1230. Retrieved from
http://www.onemine.org/search/summary.cfm/The-Effect-Of-Heat-Treatment- And-Certain-Additives-On-The-Strength-Of-Fired-Magnetite-
Pellets?d=1234567890123456789012345678901234567890123456789012345 67890123442379&fullText=the effect of heat treatment and certain additives on the strength of fired magnetite pellets
Cunha, F. A. (2010). Modelo Matemático para Estudo de Processos Reativos de
Particulas de Carvão e Biomassa. Universidade de Brasília.
Extrativa, M., Nestor, F. I., & Heck, C. (n.d.). 9 REDUÇÃO DIRETA ( Redutor Gasoso ), 31–34.
Fan, X., Li, J., Chen, X., Wang, Y., & Gan, M. (2013). Temperature Field Simulation Model for Rotary Kiln of Iron Ore Oxidized Pellet. Journal of Iron and Steel
Research, International, 20(4), 16–19. doi:10.1016/S1006-706X(13)60076-X
Feng, J., Xie, Z., & Chen, Y. (2012). Temperature Distribution of Iron Ore Pellet Bed in Grate. Journal of Iron and Steel Research, International, 19(2), 7–11. doi:10.1016/S1006-706X(12)60052-1
Ferreira, C. A. (2012). Caracterização Anatômica, secagem e carbonização de
80
Forsmo, S. (2007). Influence of green pellet properties on pelletizing of magnetite
iron ore. Tillämpad kemi och geovetenskap / Processmetallurgi. Retrieved from
http://epubl.ltu.se/1402-1544/2007/14/
Forsmo, S. P. E., Forsmo, S.-E., Samskog, P.-O., & Björkman, B. M. T. (2008). Mechanisms in oxidation and sintering of magnetite iron ore green pellets.
Powder Technology, 183(2), 247–259. doi:10.1016/j.powtec.2007.07.032
Gon, K., & Polit, E. (2007). Pirólise e combustão de resíduos plásticos.
González, J. F., Ledesma, B., Alkassir, a., & González, J. (2011). Study of the influence of the composition of several biomass pellets on the drying process.
Biomass and Bioenergy, 35(10), 4399–4406.
doi:10.1016/j.biombioe.2011.08.019
Goos, S. C. H. ANÁLISE IMEDIATA DO CARVÃO E COMBUSTÃO de DIFERENTES ÁLCOOIS (2010).
Guilherme, A. (n.d.). Estrutura geral da partícula de combustível sólido. Retrieved
June 01, 2014, from
http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/combcarvao.php
Han, G., Jiang, T., Zhang, Y., Huang, Y., & Li, G. (2011). High-Temperature Oxidation Behavior of Vanadium, Titanium-Bearing Magnetite Pellet. Journal of
Iron and Steel Research, International, 18(8), 14–19. doi:10.1016/S1006-
706X(11)60097-6
Hupa, M. (2012). Ash-Related Issues in Fluidized-Bed Combustion of Biomasses: Recent Research Highlights. Energy & Fuels, 26(1), 4–14.
doi:10.1021/ef201169k
JM Mesa, JD Rocha, LA Barboza, LE Brossard, E Olivares, L. B. J. (2003). PIRÓLISE RÁPIDA EM LEITO FLUIDIZADO : UMA OPÇÃO PARA TRANSFORMAR BIOMASSA EM ENERGIA LIMPA, 32–36.
Khraisheh, M. A. M., Cooper, T. J. R., & Member, T. R. A. M. (1997). TRANSPORT MECHANISMS OF MOIUSTURE DURING AIR DRYING PROCESSES.
Ljung, A.-L., Staffan Lundström, T., Daniel Marjavaara, B., & Tano, K. (2011). Convective drying of an individual iron ore pellet – Analysis with CFD.
International Journal of Heat and Mass Transfer, 54(17-18), 3882–3890.
doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.040
Martins, M. F. (2008). The structure of a combustion front propagating in a fixed bed
81
Martins, M. F., Salvador, S., Thovert, J.-F., & Debenest, G. (2010a). Co-current combustion of oil shale – Part 1: Characterization of the solid and gaseous products. Fuel, 89(1), 144–151. doi:10.1016/j.fuel.2009.06.036
Martins, M. F., Salvador, S., Thovert, J.-F., & Debenest, G. (2010b). Co-current combustion of oil shale – Part 2: Structure of the combustion front. Fuel, 89(1), 133–143. doi:10.1016/j.fuel.2009.06.040
Mathews, J. P., Krishnamoorthy, V., Louw, E., Tchapda, A. H. N., Castro-Marcano, F., Karri, V., … Mitchell, G. D. (2014). A review of the correlations of coal properties with elemental composition. Fuel Processing Technology, 121, 104– 113. doi:10.1016/j.fuproc.2014.01.015
Moura, A. P. De. (2010). MELHORIA DA QUALIDADE DE SERVIÇO NA PRODUÇÃO DE CARVÃO NO SETOR DE CARBONIZAÇÃO : UM ESTUDO DE CASO, 8.
Ooi, T. C., Thompson, D., Anderson, D. R., Fisher, R., Fray, T., & Zandi, M. (2011). The effect of charcoal combustion on iron-ore sintering performance and emission of persistent organic pollutants. Combustion and Flame, 158(5), 979– 987. doi:10.1016/j.combustflame.2011.01.020
Patra, K. C., Rautray, T. R., Tripathy, B. B., & Nayak, P. (2012). Elemental analysis of coal and coal ASH by PIXE technique. Applied Radiation and Isotopes :
Including Data, Instrumentation and Methods for Use in Agriculture, Industry and Medicine, 70(4), 612–6. doi:10.1016/j.apradiso.2011.12.013
Park, K., Antonio, G. C., Oliveira, R. A., & Park, B. (2007). Conceitos de processo e
equipamentos de secagem. Retrieved from
http://www.feagri.unicamp.br/ctea/manuais/concproceqsec_07.pdf
SILVA, F. D. DA. (2010). REDUÇÃO DO DELTA DE RESISTÊNCIA À
COMPRESSÃO ENTRE PELOTAS PRODUZIDAS E EMBARCADAS NAS
USINAS DE PELOTIZAÇÃO DA VALE – UMA ANÁLISE DE CAUSAS.
Universidade Federal de Ouro Preto.
Teixeira, P. A. L. (n.d.). Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas
durante a combustão de biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência. Universidade Nova de Lisboa.
Telles, Victor Bridi, Espinosa, D. C. R., & Tenório, J. A. S. (2013). PRODUÇÃO DE SÍNTER DE MINÉRIO DE FERRO UTILIZANDO POEIRA DE ACIARIA ELÉTRICA COMO MATÉRIA PRIMA, 72–77.
Vamvuka, D., Sfakiotakis, S., & Kotronakis, M. (2012). Fluidized bed combustion of residues from oranges’ plantations and processing. Renewable Energy, 44, 231– 237. doi:10.1016/j.renene.2012.01.083
82
Yang, W., Choi, S., Choi, E. S., Ri, D. W., & Kim, S. (2006). Combustion characteristics in an iron ore sintering bed—evaluation of fuel substitution.
Combustion and Flame, 145(3), 447–463.
doi:10.1016/j.combustflame.2006.01.005
Yi, L., Huang, Z., & Jiang, T. (2013). Sticking of iron ore pellets during reduction with hydrogen and carbon monoxide mixtures: Behavior and mechanism. Powder
Technology, 235, 1001–1007. doi:10.1016/j.powtec.2012.11.043
Zandi, M., Martinez-Pacheco, M., & Fray, T. a. T. (2010). Biomass for iron ore sintering. Minerals Engineering, 23(14), 1139–1145.
doi:10.1016/j.mineng.2010.07.010
Loo, S. Van, & Koppejan, J. (2008). The Handbook of Biomass Combustion and Co- firing. Fuel, 81(18), 442. Retrieved from
http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0016236102001758
Rezende, M. E. A. (2008). Carvão vegetal: potencialidades por realizar. Retrieved from http://www.revistaopinioes.com.br/cp/materia.php?id=253
Cooke, Strathmore R. B. ; Stowasser, William F., J. (1952). Microstructures In Iron Ore Pellets. Mining Engineering. Retrieved from http://www.onemine.org/search/summary.cfm/Microstructures-In-Iron-Ore-
Pellets?d=02A592AFB460370710831BD027B928A48DE69F7B471B5E16A38F E0EB9FD0211342342&fullText=strathmore
Crnkovic, P. M., Polito, W. L., Filho, C. G. da S., Milioni, F. E., & Pagliuso, J. D. (2004). O efeito da granulometria na decrepitação durante a decomposição térmica de calcários e carvão. Retrieved November 01, 2014, from http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-
40422004000100012&script=sci_arttext
Tolmasquim, M. T. (2012). Perspectivas e planejamento do setor energético no
Brasil. Retrieved November 01, 2014, from
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103- 40142012000100017
Rosolem, V. (2010). Pirólise de resíduos. Retrieved November 01, 2014, from http://www.ebah.com.br/content/ABAAABblEAD/producao-carvao-vegetal
Nogueira, M. F. M. (2007). Biomassa energética: caracterização de biomassa.
Retrieved November 01, 2014, from
http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/arquivos/EDC2007/bio massa/Manoel_F_M_Nogueira-Caracterizacao_Biomassa.pdf
83
Rosa, R. A., Donária, M., Arantes, C., & Paes, J. B. (2012). Qualidade do carvão vegetal para o consumo doméstico, 3, 41–48.
Santana, E. R. R. de, Sampaio, C. H., Calesso, E., Andréani, P.-A., Benezet, J.-C., Adamiec, P., … Schütz. (2011). Caracterização de cinzas sulfatadas de carvão visando utilização na indústria de cimento - reconstrução mineralógica do carvão de Candiota (Brasil). Revista Brasileira de Geociências. Retrieved from http://ppegeo.igc.usp.br/pdf/rbg/v41n2/v41n2a05.pdf
Silva, J. de S. e, Precci, R. L., Sobrinho, J. C., & Silva, J. N. da. (2001). Secagem e
armazenamento de café - tecnologias e custos. Jard Editora Ltda. Retrieved
from ftp://www.ufv.br/poscolheita/LIVRO SECAGEM E ARMAZENAGEM DE CAFE/capitulo4.pdf
Gebreegziabher, T., Oyedun, A. O., & Hui, C. W. (2013). Optimum biomass drying for combustion – A modeling approach. Energy, 53, 67–73.
doi:10.1016/j.energy.2013.03.004
Niessen, W. R., & Dekker, M. (1995). Book Review - Combustion and Incineration Processes -Applications in Environmental Engineering, 3449(95), 22090.
Hallett, W. L. H. (2005) "Packed bed combustion: An overview." Combustion Institute Canadian Section Spring Meeting.
HAAS, L.A., NIGRO, J.C., MOE, R. Magnetite oxidation of acid and fluxed taconite pellets, Ironmaking Conference Proccedings, vol. 51, 1992, pp. 533-549.
Dawson, P. R. (1993). Recent developments in iron ore sintering: part 1-4, Ironmaking and Steelmaking 20 (2), 135-151.