- OTIMIZAÇÃO DAS VARIÁVEIS OPERACIONAIS NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO RADIAL DE COMPACTOS DE CARVÃO VEGETAL
-Autores: Soledade, L.E.B. (1), Justus, S.M. (1), Andrade, R.M. (1), Paskocimas, C.A., Longo, E.(1) , Moreira, R. C.M. (1), Baldo, J.B. (2) , Varela, J. A. (3)
(1) - CMDMC, LIEC, DQ, UFSCar (2) CMDMC, DEMA, UFSCar (3) CMDMC, IQ, UNESP
RESUMO
Finos de carvão vegetal do Mato Grosso do Sul foram utilizados para a produção de compactos nos laboratórios do CMDMC/LIEC/DQ/UFSCar. Melaço foi utilizado como ligante para a prensagem desses compactos. Diversas variáveis operacionais para a produção desses compactos foram estudadas, tais como granulometria do carvão vegetal, tratamento térmico, teor de ligantes e espessura dos compactos, visando á maximização da resistência à compressão radial, medida pelo Brazilian Test nos laboratórios do DEMA da UFSCar. A técnica de regressão linear múltipla foi utilizada para a definição das variáveis que influenciavam significativamente a resistência á compressão radial, tendo sido obtido um bom coeficiente de regressão múltipla, r2 de 0,921.
ABSTRACT
Charcoal fines from Mato Grosso do Sul State were used for the production of compacts at the laboratories of CMDMC/LIEC/DQ/UFSCar. Molasses was used as binder for the pressing of these compacts. Several operational variables for the production of the pellets were studied, such as charcoal particle size, heat treatment, binder amount and thickness of the pellets, aiming at maximizing the radial compression resistance, measured by the Brazilian Test in the DEMA/UFSCar laboratories. The technique of multiple linear regression was used for the assessment of the significant variables, by means of t test. So, the resistance toward the radial compression presented a good multiple regression coefficient, r2
of 0.921.
Palavras Chaves: Carvão Vegetal, Análise Estatística, Correlação Linear Múltipla Key-words: Charcoal, Statistical Analysis, Multiple Linear Regression
INTRODUÇÃO
A lenha é uma fonte primária de energia que vem perdendo importância com relação a outras fontes primárias, tais como petróleo, carvão mineral, etc... Nos EUA esse fato é ainda mais evidente do que em países como o Brasil. Nos EUA o consumo anual de lenha é hoje em
dia cerca de um terço do valor máximo, o qual foi atingido na série histórica por volta do ano de 1870.
No Brasil, embora menos drasticamente que nos EUA, a madeira também vem perdendo espaço. Em 1970 a lenha representava 42% da oferta interna de energia enquanto que lenha e o carvão vegetal juntos representavam 42,7% do consumo final de energia (1). Em 1998, a lenha caiu para 9% da oferta de energia primária e a soma de lenha e carvão vegetal caía para 7,5% do consumo final de energia.
Em 1998, mesmo tendo declinado a sua participação percentual no Balanço Energético Nacional, de acordo com essa mesma fonte(1) foram produzidas 69,49 milhões de toneladas de lenha, das quais 27,12 milhões de toneladas foram utilizadas para a produção de carvão vegetal. Essa quantidade de carvão vegetal foi utilizada para a produção de 6,28 milhões de toneladas de carvão vegetal, indicando assim um rendimento médio nacional de 23,2% no processo de obtenção de carvão vegetal. Esse valor está próximo do encontrado na literatura, de cerca de 250 kg de carvão vegetal obtidos a partir de 1 tonelada de lenha (2) .
Estima-se (3) que são geradas cerca de 25% de finos a partir do carvão vegetal produzido. Inicialmente esses finos eram totalmente descartados, mas com o passar do tempo, esse material vem sendo cada vez mais utilizado. Hoje em dia, os finos de carvão vegetal vem sendo empregados principalmente na metalurgia e na produção de cimento. Contra os 25% de finos gerados, o Balanço Energético Nacional registrou apenas 3,4% de perdas em 1998, correspondentes no entanto ao desperdício de 227.000 toneladas somente naquele ano. A briquetagem, cujo uso é bastante difundido no mercado americano, se apresenta como uma das principais alternativas técnicas para o aproveitamento desses finos.
O uso de briquetagem para a compactação de carvão é bastante antigo, datando a primeira patente sobre o assunto de 1848(4) , sendo concedida a William Easby,, dos EUA, para “um método de converter carvão fino em pedaços grandes sólidos”. A produção de briquetes, de acordo com a patente pioneira , era feita usando-se cerca de 6% de ligante asfáltico fundido
A briquetagem de carvão vegetal nos USA tomou vulto na década de 1920. Nessa época Henry Ford utilizava sobras da madeira empregada no automóvel modelo T da Ford para a produção de finos de carvão vegetal e posterior produção de briquetes(4) . À época se usava alcatrão de madeira como ligante.
A produção máxima de briquetes de carvão vegetal nos USA atingiu, por volta de 1945, acima de 6 milhões de toneladas por ano. A produção decaiu posteriormente em função do barateamento do petróleo e do gás naquele país.
por ano(4) . O principal ligante utilizado é o amido e a maioria da produção se dedica ao mercado de carvão para churrasco.
O interesse do LIEC por briquetagem de carvão vegetal se originou do potencial que essa tecnologia apresenta para a redução das perdas de finos de carvão vegetal., com a consequente minimização do impacto que essas perdas representam para o meio ambiente. Além disso essa fonte energética pode ser utilizada como redutor e/ou combustível em diversos processos em áreas de interesse do LIEC, tais como metalurgia, cerâmica, cimento, etc...
Os finos utilizados foram provenientes de carvão vegetal do Mato Grosso do Sul, produzido , a partir de lenha,. em fornos clássicos de alvenaria.. O ligante a ser utilizado é o melaço, sub-produto da indústria sucro-alcooleira e da boa disponibilidade na região de Mato Grosso do Sul. Trata-se de ligante conhecido na literatura sobre briquetagem de carvão vegetal, embora sem a alta utilização do amido. O presente trabalho visa a contribuir para a definição das variáveis operacionais a serem otimizadas em um futuro processo industrial de briquetagem, tendo sido os primeiros testes efetuados em prensa manual do LIEC.
2 – MATERIAIS E MÉTODOS
O carvão vegetal utilizado nos experimentos representa o material fino, com granulometria inferior à especificada pelo mercado metalúrgico para carvão vegetal . A análise imediata, que apresenta os resultados dos testes de cinzas, matéria volátil e carbono fixo, foi efetuada por ocasião do primeiro relatório interno(5), tendo sido utilizadas as normas adequadas (6-11). Os finos de carvão vegetal foram submetidos a ensaio granulométrico, sendo peneirados no peneirador automático PRODUTEST do LIEC, de acordo com a norma ASTM D – 4749-87(12).
O ligante utilizado para os experimentos de compactação foi o melaço, também proveniente do Mato Grosso do Sul. Devido à alta viscosidade do melaço, ele foi pré-diluído antes de ser utilizado na formulação das pastilhas. Foram testadas diversas pré-diluições do melaço, denominadas pelo percentual de água adicionada ao melaço in natura. Assim, uma mistura de 7,5 partes em volume de água e 92,5 partes em volume de melaço foi representada como 7,5% de água. Para os testes visando a se estudar as propriedades das pastilhas em função das variáveis operacionais foram utilizadas apenas amostras de melaço com 7,5% e 20% de água.
As formulações utilizadas no presente trabalho não apresentaram adição de água livre ao material. A água adicionada o foi indiretamente, como água utilizada para a pré-diluição do melaço. Tendo em vista a dificuldade de se trabalhar com pastilhas obtidas com 15% ou menos de ligante, o valor mínimo de melaço in natura foi de 20%. Os valores usados tiveram 40% como
o limite máximo, sendo também utilizados 25%, 30% e 35%.
As amostras foram submetidas a uma prensagem padrão em molde cilíndrico de aço.Foi utilizada a prensa manual do LIEC de fabricação Schwing Siwa e com capacidade máxima de compressão de 15000 kgf. Em todos os experimentos foi utilizada a pressão de compactação padronizada de 3000 kgf, obtendo-se pastilhas cilíndricas de cerca de 26 mm de diâmetro e de altura variável em função da quantidade do material compactado.
A grande maioria das amostras em pastilhas foi mantida aquecida em estufa de fabricação FANEM modelo 315 SE, a uma temperatura de cerca de 110°C, por um espaço de tempo nunca inferior a 96 horas. Algumas poucas amostras não sofreram nenhum tratamento térmico sendo sempre mantidas à temperatura ambiente.
O ensaio de Compressão Radial, efetuado de acordo com o Brazilian Test (14) , foi realizado nas 111 amostras com a utilização do equipamento Monsanto Tensometer, do CMDMC/DEMA/UFSCar. Algumas poucas amostras forma ensaiadas utilizando-se o range de 0 a 2000 kgf de força de compactação, enquanto que a grande maioria utilizou o range de 0 a 1000 kgf. O resultado da Compressão Radial é obtido a partir da leitura direta do equipamento, em kgf.
3 – RESULTADOS
Foram recebidas inicialmente duas amostras de carvão grosso, da granulometria normalmente utilizada no mercado siderúrgica e provenientes do carvoejamento de lenhas de eucaliptus Citriodora e Eucaliptus Urophylla. Os valores da análise imediata, análise que engloba os testes de cinza, matéria volátil e carbono fixo de carvões, das duas sub-amostras, indicam valores de cinza entre 0,9% e 1,9% , ao mesmo tempo em que a matéria volátil encontrada, da ordem de 17%, é bastante característica do carvão vegetal..
Posteriormente, no entanto, foi encaminhada nova amostra, desta vez dos finos provenientes do descarte de carvões com granulometria menor que a requerida pelo mercado metalúrgico. A análise imediata, vide tabela I, apresentou valores de cinzas e de matéria volátil mais altos, de acordo com o que se deveria esperar de uma amostra de finos O resultado do ensaio de distribuição granulométrica efetuado na mesma amostra é apresentado na tabela II.
Foi determinada a umidade dos finos de carvão utilizados. Com esse objetivo, amostra significativa do total da amostra recebida foi quarteada de acordo com a norma ASTM D – 2234-66 (13). Essa amostra foi separada em duas frações, uma totalmente maior e outra totalmente menor que 20 M (0,85mm), valor próximo da mediana da distribuição granulométrica, uma vez que na peneira de 20M ficam retidos 51,33% da amostra global. A
umidade obtida, cerca de 6% , se apresentou bastante próxima do valor já anteriormente medido e praticamente foi a mesma, quer na fração grossa acima de 20 M, quer na fração fina abaixo de 20 M, vide tabela III.
Tabela I – Análise imediata dos finos de carvão vegetal utilizados FINOS DE CARVÃO
Teor de Cinzas (%) base seca 10,68
Teor de Matéria Volátil (%) base seca 30,41
Teor de Carbono Fixo (%) base seca 58,91
Para os testes visando a se estudar as propriedades das pastilhas em função das variáveis operacionais foram utilizadas apenas amostras de melaço com 7,5% e 20% de água.. A partir dos valores de umidade da tabela III e em função da água contida nos melaços diluídos, foi possível calcular a umidade de cada uma das formulações, a qual sempre se situou no intervalo de 7 a 10%.
Tabela II – Análise Granulométrica dos Finos de Carvão Vegetal Utilizado
% Peso %Peso Acumulada
Retido em 3/8 in 0,063 0,063 Retido em 4M 10,323 10,386 Retido em 6 M 3,387 13,773 Retido em 20 M 37,56 51,333 Retido em 35 M 10,015 61,348 Retido em 60 M 11,787 73,135 Retido em 100 M 9,346 82,481 Retido em 200 M 7,686 90,167 Através de 200 M 9,833 -Tamanho Médio = 1,81 mm
Tabela III – Umidade das Amostras de Finos de Carvão Vegetal
Carvão mais grosso Carvão mais fino
Granulometria 100% < 20 M 100% > 20 M
Um total de 111 diferentes amostras foram ensaiadas, sendo os resultados de resistência à compressão radial expressos em MPa. Para a análise estatística, os dados foram tabelados. A coluna A(Y) apresenta os resultados obtidos de resistência à compressão radial em MPa. A coluna B(X) diz respeito à diluição do melaço. Para os ensaios onde o melaço foi diluído para uma solução com 7,5% de água, o valor de B(X) = 1. Para os ensaios onde o melaço foi diluído para uma solução com 20% de água, o valor de B(X) = 0.
A coluna C(X) diz respeito à granulometria do carvão vegetal. C(X) = 1 para os testes onde a granulometria do carvão vegetal é de 100% < 20 M. C(X) = 0 quando a granulometria é de 100% > 20 M. A coluna D(X) diz respeito ao fato de que algumas amostras permaneceram quase 30 dias aquecidas na estufa, enquanto que a maioria das amostras ficou cerca de uma semana. Para as amostras onde o teste de compressão foi efetuado tardiamente, com a permanência das amostras durante um tempo longo na estufa, D(X) = 1 . Para as outras amostras, D(X) = 0 . A coluna E(X) se relaciona à escala de medição dos valores de Resistência à Compressão Radial. Quando foi utilizado o range de 0 a 2000 kgf, E(X) = 1 . Na maioria dos casos, onde se utilizou um range de 0 a 1000 kgf, E(X) = 0 . O valor presente na coluna F(X) se refere à percentagem de ligante. O valor representa a quantidade, em gramas, de melaço in natura, como recebido, presente em 100 g de mistura a ser compactada. A coluna G(X) se refere à temperatura de armazenamento das amostras de pastilhas compactadas. Para as amostras armazenadas à temperatura ambiente,G(X) = 0. Para as amostras que foram guardadas na estufa,G(X) = 1.
Ao ser feita a análise de regressão linear múltipla com os dados obtidos, observou-se que duas variáveis não apresentaram significância estatística. Foram as variáveis B(X) e D(X). Isto é, a diluição do melaço e o tempo extra que as amostras permaneceram dentro da estufa não influenciaram a resistência à compressão radial das pastilhas. Deve-se frisar, no entanto, que essa conclusão está amarrada às faixas de diluição e de intervalo de tempo extra estudadas.
Conforme se deve proceder quando algumas variáveis se mostram não significativas, essas variáveis devem ser eliminadas do estudo estatístico. Fazendo-se isso, a matriz de dados iniciais foi refeita.Nova regressão múltipla então foi feita, cuja análise é apresentada nas tabelas IV e IVa, elaboradas com o uso do software Origin 5.0. As variáveis nela referidas já foram definidas anteriormente. A equação de regressão obtida, equação 1, com r2 = 0,92112, é apresentada abaixo:
Por essa tabela se pode prever os valores de Resistência à Compressão Radial em função do teor de ligante e de outras variáveis operacionais. O alto valor de r2 (0,92112) significa que as quatro variáveis apresentadas explicam cerca de 92% da variação da resistência à compressão radial à temperatura ambiente (Y). A variável E(X), escala de medição, não é exatamente uma variável de processo, mas o resultado obtido na correlação indica que ela deve ser levada em consideração quando da padronização do ensaio.
Tabela IV – Regressão múltipla a partir das variáveis significativas.
Variáveis Independentes: C(X), E(X), F(X) e G(X).
Variável Dependente: A(Y)
Parâmetro Valor Erro Valor de t Prob>| t|
A(Y)-Intercessão -4.22601 0.66871 -6.31959 <0.0001 C(X) 3.02686 0.2127 14.2304 <0.0001 E(X) 2.76631 0.31339 8.82698 <0.0001 F(X) 0.15686 0.01701 9.22363 <0.0001 G(X) 5.57265 0.23597 23.61551 <0.0001 r2 (COD) = 0.922112 r2 ajustado = 0.91815
Raiz quadrada da soma dos quadrados(SD) = 0.96179
Tabela IV a - Análise de Variáveis
Item Graus de Liberdade Soma dos Quadrados Média Quadrática Valor da Estatística F Modelo 4 1145.06583 286.26646 309.46385 Erro 106 98.05425 0.92504 Total 110 1243.12008 Prob>F <0.0001
A variável C(X) informa que a granulometria menor é mais indicada para o processo. A variável G(X) informa que é necessário um tratamento térmico para melhorar a resistência das pastilhas. Já se observou que para a temperatura de cerca de 110°C utilizada na estufa um tempo excessivamente longo não traz benefícios extras.
duas delas – o diâmetro das pastilhas e a altura das pastilhas. Foi tentada a introdução dessas duas variáveis no universo total das variáveis, sem êxito. Isso foi devido à inter-relação entre a espessura das pastilhas e a granulometria das amostras. As últimas amostras testadas utilizaram carvão vegetal de maior granulometria, enquanto que se optou por usar amostras mais espessas, de maior peso nos últimos testes para varrer melhor essa variável. Assim é que a espessura média das pastilhas com carvão fino é de 16,68 mm e para as amostras de carvão grosso o valor médio é bem maior, de 21,01 mm. Isso fez com que, ao se incluir a variável espessura das pastilhas ficasse menos significativa importância da variável granulometria, enquanto que o r2 subiu de cerca de 0,92 para cerca de 0,93, fazendo com que se preferisse manter a equação de regressão obtida anteriormente.
O estudo dessas duas variáveis foi feita na sub-amostra representada por oito pastilhas varrendo melhor a faixa de variação do peso e da altura das pastilhas. Os valores obtidos se encontram na tabela V A Figura 1 apresenta a correlação entre o peso da pastilha (g) e a altura da pastilha. Representando-se por P o peso da pastilha (g) e por A a altura da pastilha (mm), a equação de correlação obtida, equação 2, com r2 = 0,9507 e com mais de 99,99% de significância, foi:
P = 1,99368 + 0,38198 A (2)
Tendo em vista a alta correlação simples encontrada entre o peso da pastilha e a sua altura, a correlação múltipla dos dados da tabela VI será feita omitindo-se a variável peso da pastilha. Por outro lado a variável diâmetro da pastilha não se mostrou significativa na correlação. Assim, o valor de Resistência à Compressão Radial (MPa) será correlacionado apenas com a altura das pastilhas, conforme se pode observar na figura 2.
A equação de correlação simples obtida,equação 3, apresentou 99,787% de significância e r2 = 0,8151. Nela R representa a Resistência à Compressão Radial (MPa) e A a Altura da pastilha (mm).
18 19 20 21 22 23 24 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 Y = 1,99368 + 0,38198 X r2 = 0,9507 P e so d a P a sti lh a ( g ) Altura da Pastilha (mm)
Figura 1 – Correlação entre o peso da pastilha e a sua altura.
Tabela V – Dados para o estudo da influência da espessura e do diâmetro das pastilhas sobre a resistência à compressão radial
Amostra Resistência à Compressão Radial (MPa) Diâmetro da Pastilha (mm) Espessura da Pastilha (mm) Peso da Pastilha (g) AA-1 6,49 27,05 24,05 11,0 AA-2 7,47 26,50 22,40 10,8 AA-3 6,63 27,10 23,00 10,8 AA-4 6,39 26,90 23,50 11,0 AA-5 7,91 26,65 19,75 9,6 AA-6 9,60 26,50 19,45 9,5 AA-7 10,13 27,20 18,60 9,2 AA-8 8,03 26,75 19,55 9,1 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 Y = 20,36932 - 0,58899 X r2 = 0,81510 Re s is tên c ia à Com p re s s ão Radi a l (MP a)
Altura das Pastilhas (mm)
A Figura 3 ilustra a correlação obtida entre o valor experimental da Resistência à Compressão Radial e o valor calculada da mesma Resistência à Compressão Radial, de acordo com a equação 1
Trabalhos do CETEC de Belo Horizonte(3)(15) indicam que o carvão vegetal normal utilizado na metalurgia apresenta Resistência à Compressão variável, em função da temperatura de carbonização e da posição ocupada originalmente pela lenha na árvore. Assim amostras centrais são mais resistentes que as amostras de borda. Para os carvões produzidos em fornos de alvenaria(3) , a resistência à compressão média para amostras de centro foi de 3,39 ± 0,22 MPa e para amostras de borda a resistência foi de 2,59 ± 0,37 MPa, onde o primeiro número indica a média e o segundo o desvio padrão.
0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 Y = - 2,85325x10-5 + X r2 = 0,92112 Res is tên c ia à Com p res s ã o Ra di al Obs e rv a da (M Pa )
Resistência à Compressão Radial Calculada (MPa)
Figura 3 – Correlação entre o valor observado da Resistência à Compressão Radial e o seu valor calculado.
Observa-se que os valores mais altos de Resistência à Compressão obtidos no presente trabalho para os compactos ultrapassaram 13 MPa, demonstrando que com a otimização das condições operacionais serão obtidos compactos com maior resistência que a do carvão vegetal
A equação 1 apresenta bastante. significado físico. Com relação à variável C(X) , granulometria, o valor da Resistência à Compressão Radial aumenta com o uso de granulometria mais fina, o que era de se esperar. Para G(X) , tratamento térmico, a Resistência à Compressão aumenta quando do tratamento térmico das amostras, o que está de acordo com a expectativa. Para F(X), teor de ligante, a equação prevê um aumento da Resistência à Compressão Radial para amostras com valores maiores de ligante, o que está de acordo com a prática industrial.
Compressão, confirmadas pela análise estatística, faz com que esses fatores devem ser levados em consideração, sendo padronizados para uma determinação mais exata desse parâmetro mecânico.
CONCLUSÕES
1) Foi demonstrada a viabilidade técnica de se produzir pastilhas de carvão vegetal com o uso de melaço como ligante. Otimizando-se as variáveis operacionais, a resistência mecânica da pastilha superou à do carvão vegetal grosso normalmente utilizado na indústria metalúrgica. 2) Foi feito um estudo estatístico, correlacionando a resistência à compressão radial das pastilhas
com diversas variáveis operacionais, tendo sido encontrado r2 de 0,921, num universo de 111 determinações.
3) As variáveis viscosidade do ligante, excesso de tempo de permanência em estufa a 110oC e diâmetro das pastilhas não se mostraram significativas, dentro dos limites estudados.
4) A resistência à compressão radial em amostras preparadas com carvão vegetal à granulometria de 100% < 20 M foi significativamente superior à das amostras com carvão vegetal à granulometria de 100% > 20 M.
5) A resistência à compressão radial em amostras tratadas em estufa a 110oC após prensagem das pastilhas mostrou-se significativamente maior que as amostras sem tratamento térmico. 6) A resistência à compressão radial aumenta significativamente com a diminuição da espessura
das pastilhas. Também se observou que houve diferenças perceptíveis nos valores quando diferentes escalas de medição foram utilizadas. Assim, esses fatores devem ser levados em consideração, sendo padronizados para uma determinação mais exata da resistência à compressão radial.
7) A resistência à compressão radial aumenta linearmente com a percentagem em peso do ligante in natura na massa total a ser compactada, com alta significância estatística.
BIBLIOGRAFIA
(1) Ministério das Minas e Energia do Brasil; Balanço Energético Nacional – Mídia Magnética, Versão 1998.
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CETEC, Belo Horizonte, 1982.
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(9)ASTM Standard Test Method D 3174-93 for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke.
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(11)ASTM Standard Test Method D 1762-84 (Reapproved 1990) for Standard Chemical Analysis of Wood Charcoal.
(12)ASTM Standard Test Method D 4749-87 for Performing Sieve Analysis of Coal and Designating Coal Size.
(13)ASTM Standard Test Method D 2234-96 for Standard Methods for Collection of Gross Sample of Coal.
(14)Ensaio de Compressão Radial; Brazilian Test; Rotina Interna do Departamento de Materiais da UFSCar.
(15) Oliveira,LT.e Almeida,MR; “Avaliação de Carvão Vegetal”, in “Uso da Madeira para Fins Energéticos”, p.43-53; Publicação do CETEC, BH, 1980.
