Treinamento Coqueria, Notas de estudo de Cultura

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TREINAMENTO

INTRODUTIVO À

ÁREA DE

COQUERIA

TREINAMENTO INTRODUTIVO À ÁREA DE COQUERIA

1 - INTRODUÇÃO

Este Manual tem como objetivo fornecer noções básicas sobre a área de coqueria.

Desta maneira, procurar-se-á dar uma idéia genérica da origem do carvão mineral, o histórico e a evolução e operação das coquerias.

1.1 - O CARVÃO MINERAL

1.1.1. - ORIGENS E GEOLOGIA

O carvão mineral é uma massa compacta, estratificada, oriunda da decomposição de matérias vegetais, as quais passaram por vários estágios de conseqüentes ações geológicas, que provocaram modificações em suas propriedades físicas e químicas.

As modificações nas propriedades da matéria vegetal envolvem alterações complexas nos constituintes da sua estrutura, com evolução da umidade, gás carbônico e metano.

Desde a antigüidade, se reconhece a origem vegetal do carvão-de-pedra. Nos linhitos pode-se observar ainda restos da estrutura das plantas que o formaram.

Os depósitos carboníferos se localizam nos limites de regiões montanhosas, onde alterações geológicas, no período quaternário, causaram o soterramento de florestas. Para o desenvolvimento da luxuriante vegetação da época, era necessário clima ameno, com bastante umidade e solo fértil.

Estas duas condições são encontradas nas vizinhanças de cordilheiras, pois as cadeias de montanhas representam coletores de chuvas que, devido à diferença de altura entre os montes e a planície, provocam uma erosão intensiva, resultando em fonte de suprimento de minerais pela conseqüente sedimentação nas baixadas. Para a formação de camadas carboníferas, outra condição essencial teria sido o abaixamento do subsolo lento, porém, interrompido. Como resultado de um movimento tectânico deste tipo, a região coberta de florestas ficou submersa, transformando-se em lago. com o passar do tempo, argila e areia eram arrastadas pela erosão natural e o depósito de turfa, recoberto por uma camada de terra. A compactação progressiva da turfa se fazia pelo acúmulo cada vez maior de matéria-depositado na superfície. No decorrer dos séculos, o abaixamento do subsolo pode ter sido sustado e até anulado pela formação de montanhas. Durante estes movimentos, grandes pressões eram exercidas nas diversas camadas do solo e, naturalmente, também, sobre os depósitos vegetais. A ação combinada da pressão e do calor aplicado durante longos períodos, causaram modificações profundas na estrutura da turfa, com eliminação da água, do gás carbônico e do metano, aumentando progressivamente o teor de carbono no material residual.

As mais antigas são mais compactas, de estrutura aleitada, cor castanha. Recém-extraídas, são consideravelmente úmidas, com 80 a 90% de água; secadas ao ar, contém ainda de 15 a 30% de água de embebição. Nesta condição, têm peso variável de 200 a 250 Kg por m³ e poder calorífico entre 3.300 a 5.000 Kcal/Kg.

É um combustível fraco, que só interessa às regiões onde se encontra, para aplicações restritas (fornalhas, cerâmicas, estufas), embora possa ser prensada em blocos ou briquetes e gaseificada em gasogênios.

Algumas podem fornecer semi-coque, com aproveitamento das matérias voláteis, por processo de destilação a baixas temperaturas. No Brasil, se tem encontrado algumas turfeiras, nas costas baixas dos Estados do Espírito Santo (Jacú) e Rio de Janeiro (Marambaia).

1.1.2.2 - LINHITOS

Os linhitos são carvões fósseis mais antigos que as turfas e mais recentes que as hulhas, encontrando-se especialmente nas formações geológicas de era terciária.

São constituídos pelos produtos de decomposição de vegetais de certo porte, acumulados e soterrados por fenômenos geológicos. Apresentam-se em camadas encaixadas em formações sedimentárias, com espessuras que variam de centímetros a dezenas de metros (até 80 metros), podendo então constituirem reservas de considerável importância como acontece nos Estados Unidos e Alemanha.

Apresentam-se como material fribroso ou mais ou menos compacto de cor variável do negro ao castanho, distinguindo-se 2 tipos de estrutura de acordo com o seu grau de metaformismo:

-Linhito Xilóide:

Também chamado fibroso e, às vezes, terroso; de estrutura fibrosa, na qual se conhecem nitidamente as estruturas dos órgãos vegetais donde provieram, inclusive impressões de folhas, cápsulas, sementes etc. Contém de 50 a 60% de água de embebição, quando recém-extraídos, reduzindo-se esta umidade a 15 ~ 20%, quando secados ao ar.

Contém sempre impregnações minerais que podem elevar o teor de cinzas pesando de 600 ~ 700 Kg/m³ com um poder calorífico de 3.500 a 4.500 Kcal/Kg, podendo elevar-se até 5.000/6.000 Kcal/Kg, para os tipos mais dessecáveis e de fracos teores de cinzas.

-Linhito Conchoidal:

De estrutura mais compacta e alcitada, onde são fracos ou inexistentes os sinais da estrutura vegetal, e de aspecto lustroso. São os tipos mais metamorficados. Contém menos umidade, em torno de 20 a 45%, quando recém-extraídas, redutíveis a 15 ~ 20% por secagem ao ar.

Contém menos cinzas e são mais pesados, de 750 a 800 Kg/m³ e poder calorífico

de 5.000 a 6.500 Kcal/Kg.

Os linhitos são combustíveis de importância industrial, aplicáveis em fornalhas, fornos de calcinação e cerâmica, e também em gasogênios.

Alguns podem produzir semi-coque, por destilação a baixas temperaturas, com aproveitamento dos gases. Podem ser briquetados, com ou sem aglomerantes.

Alguns contém "cera mentana" (extraída por solvente químicos), substância de certo interesse industrial (fabricação de discos e isolantes elétricos).

No centro de Minas Gerais há uma importante jazida de linhito na Fazenda do Gandarela, Município de Rio Acima, cuja reserva foi avaliada em cerca de 2.000.000 ton por Pandiá Calógeras e Artur Guimarães.

No Amazonas, foram descobertas recentemente importantes reservas de linhito, em extensas áreas marginais do grande rio e seus afluentes e cujos dados estimativos indicam reservas prováveis da ordem de bilhões de toneladas.

1.1.2.3 - HULHAS ( ou carvão de pedra) :

As hulhas são o resultado da decomposição de verdadeiras florestas que existiram em épocas em que as condições climáticas da terra foram extremamente favoráveis ao explendor da vida vegetal e que foram posteriormente soterradas durante os ciclos geológicos. Muitas delas seadmite resultarem de enormes turfeiras desta época de intensa vida vegetal (períodos Carbonífero e Permiano).

Os processos de decomposição se admite como devidos à ação de micro- organismos e fungos, em fases de destruição acróbia e posteriormente em fase anacróbia (fermentação), seguidas ainda pela ação da pressão exercida pelos depósitos minerais que sobre ele depositaram conjugadas ao calor quer do grau geotérmico, quer o gerado nos diastrofismos da crosta terrestre.

Todas estas ações resultaram em transformações mais ou menos profundas da primeira matéria vegetal: de um lado, estas transformações se traduziram pela progressiva diminuição da umidade (embebição) e dos teores de oxigênio e hidrogênio (evolução de compostos voláteis) e o decorrente aumento do teor de carbono, conforme se verifica no quadro 1; de outro lado, por acentuadas transformações químicas dos constituintes da matéria decomposta, com o aparecimento de substâncias não encontradas normalmente nos tecidos vegetais vivos, tais como hidrocarbonetos das séries cíclicas, como o antraceno, o benzeno e outros que são importantes substâncias de utilização industrial; por isto mesmo, além do carbono que é o principal constituinte das hulhas, como combustível, podem elas fornecer estas importantes substâncias, tornando-as assim, importantes fontes de matérias primas de natureza química, que são aproveitadas como subprodutos na destilação das hulhas e empregadas para a fabricação de corantes, nilinas, medicamentos, explosivos, borracha sintética, solventes etc.

Por isto mesmo, as hulhas assumem considerável importância industrial, justificando-se o notório fato de estarem justamente nas regi·es onde ocorrem em abundância os mais importantes centros industriais do mundo moderno (Pensylvânia,

este não ficasse afetado pelo mau cheiro dos gases do carvão. Darby aperfeiçoou o processo já utilizado pelos malteiros principalmente os da região de Derby e que nada mais era que o velho processo de fabricar o carvão vegetal em larga escala aplicado ao carvão mineral e assim se fabricou o primeiro coque.

Os fornos de fabricação de coque foram evoluindo nas suas concepções básicas e na tecnologia atual se reduzem a duas classes:

a) Fornos de Colmeia, sem recuperação de subprodutos; b) Fornos de Retortas, com recuperação de subprodutos (as modernas coqueria).

1.2.1.1. - FORNOS DE COLMÉIA

O forno tipo "Colméia" é construído em tijolos sílico - aluminosos, com abóbada circular, tendo a forma parecida com a de apiário. Suas dimensões médias são da ordem de 3,5m de diâmetro, recebendo de 5 a 6 toneladas de carvão em camadas entre 500 a 700 mm. O forno tem uma porta ao nível do chão para a retirada do coque e um orifício na parte mais elevada da abóbada, para carregamento do carvão e para saída dos gases. As paredes do forno se esfriam durante o apagamento até cerca de 420 a 480°C. A temperatura do forno durante a coqueificação atinge a um máximo de 1.100 ~ 1.200°C. A velocidade de coqueificação é da ordem de 12 mm por hora e o tempo total varia entre 48 a 72 horas, dependendo da espessura da camada.

1.2.1.2 - FORNOS COM RECUPERAÇÃO DE SUBPRODUTOS

A consciência da importância dos produtos da destilação do carvão levou ao desenvolvimento dos fornos de coque com aproveitamento de subprodutos, durante a segunda metade do século XIX. Estes fornos são constituídos de câmaras, alongadas, aquecidas pela queima de gáscombustível em canais ou dutos nas paredes de tijolos de sílica, que separam uma da outra. São as baterias de fornos de coque (coquerias).

1.2.2 - A BATERIA DE FORNOS

1.2.2.1 - DESCRIÇÃO

Uma bateria de fornos de coque com recuperação de subprodutos é constituida de fornos verticais geralmente de 11 a 15 metros de comprimento, 3 a 7 metros de altura e 300 a 550 mm de largura.

Suas paredes são construídas de tijolo refratário de sílica, de projeto especial para evitar a passagem de gases.

Estes fornos são aquecidos por um gás, o qual é injetado em uma rede de dutos e estes por sua vez, são conectados aos regeneradores, que alimentam dois fornos de coqueificação adjacentes. Estes regeneradores são construídos de tijolos refratários de sílica-aluminoso. Sua função é absorver calor dos gases queimados e, posteriormente, ao inverter o fluxo dos gases, eles servem para aquecer o ar que irá ser usado para

combustão.

Cada forno tem portas removíveis para possibilitar a retirada do coque incandescente com o uso da máquina desenfornadora.

O número de fornos numa bateria é bastante variado e pode chegar a ter 200 fornos.

Um fator importante na operação de uma bateria é o tempo de coqueificação, que, geralmente, varia entre 16 a 18 horas.

1.2.2.2 - COQUEIFICAÇÃO

Fundamentalmente, a coqueificação consiste em submeter uma mistura de carvões de características adequadas a uma destilação (aquecimento em ausência de ar).

A coqueificação pode-se realizar em fornos de colméia ou em fornos com recuperação de subprodutos.

Esta destilação provoca a liberação de gases e o aparecimento de um resíduo sólido, poroso, infusível, basicamente constituído de carbono, que é o coque.

Quando o carvão carregado dentro da câmara (forno) entra em contato com as duas paredes aquecidas e o calor é transmitido, por condução, para o centro da carga, de cada parede surgem duas superfícies planas isotérmicas, que caminham para o centro da carga.

O material situado entre as isotermas forma uma camada "envelope plástico", ocorrendo aí o primeiro estágio da coqueificação.

A seguir, o processamento das reações finais de condensação e desidrogenação, características do segundo estágio da coqueificação, transformam o semi- coque em coque.

A velocidade de a avanço das isotermas no seu caminho desde a parede dos fornos até o centro da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificação está terminada com o encontro das duas frentes plásticas.

2 - PROCESSO C.D.Q. (APAGAMENTO A SECO DO COQUE)

2.1 - INTRODUÇÃO

A técnica de extinção a seco do coque (COKE DRY QUENCHING - CDQ), teve seu desenvolvimento inicial na década de 1920 pelos irmãos Sulzer na Suíça. Desde

• Homogeiniza as características do coque, retirando o restante de matéria volátil, passando assim por um processo de super coqueificação com permanência de ± 1 hora.

A descarga do coque, com a temperatura de ± 180°C faz-se na parte inferior da câmara, através do sistema de descarga alternado, e com o compartimento pressurizado com N2, que permite descarregar o coque sem deixar escapar o gás circulante ou gás de

resfriamento.

O apagamento do coque propriamente dito se processa, soprando o gás de resfriamento na parte inferior da câmara, passa por um sistema de distribuição e sobe em direção a parte superior, absorvendo o calor do coque e atingindo a temperatura de ± 800°C. É recolhido por 32 canais dispostos em torno da parte superior da câmara, passando por um coletor primário onde as partículas maiores são retidas. A seguir é conduzido para a caldeira onde cede seu calor à mesma, produzindo vapor de 23 Kg/Cm² e 350°C.

O gás sai da caldeira já com sua temperatura reduzida a ± 180°C, passa por um conjunto de ciclones onde são retidas as partículas finas de pó e através do soprador é reconduzido à câmara de resfriamento. O pó retido no coletor e no ciclone é transportado pneumaticamente para um silo. Além do sistema de despoeiramento do gás circulantes descrito acima, existem dois outros que coletam as poeiras geradas no carregamento e na descarga do coque.

2.3 - PRINCIPAIS BENEFÍCIOS

2.3.1 - RECUPERAÇÃO DE ENERGIA

. Gerando por cada ton. de coque apagado 585 Kg de vapor a 350°C e pressão de 23 Kg/cm². (1.670.000 t/ano de coque apag. x 585 Kg/vapor) =976.950 t/ano de vapor.

2.3.2 - QUALIDADE DO COQUE

. Aumento do DI 150 de ± 2,0% 15 . Umidade 0,2% . Ausência de finos de aderência quando carregado no Alto Forno. . Características físicas/químicas extremamente estáveis.

2.3.3 - REDUÇÃO DE POLUIÇÃO AMBIENTAL, QUANDO ADOTADO SISTEMA

DE DESPOEIRAMENTO CONVENIENTE.

3 - CARBOQUÍMICOS:

O Tratamento do Gás de Coqueria está dividida nas seguintes Unidades Operacionais:

Área 01 - Decantação de Alcatrão

Área 05 - Resfriadores Primários de Gás

Área 09 - Precipitadores Eletrostáticos de Alcatrão

Área 12 - Exaustores de Gás

Área 15 - Lavador de Amônia

Área 17 - Destilação de Amônia e Concentração de águaAmoniacal

Área 21 - Combustão de Amônia

Área 32 - Lavador de Naftaleno

Área 80 - Grupo Frigorífico

Cada unidade operacional tem sua função específica dentro do processo e o conjunto das unidades tem por função a limpeza do gás de coqueria e a destruição dos agentes poluentes.

aos tanques da OEU-D, através das bombas PC 0107 A/B. O tanque TK 0103 tem por função receber uma mistura de alcatrão (± 80%) e água amoniacal (± 20%) proveniente dos Decantadores (TB 0101 E TB 0102) e enviar continuamente aos Resfriadores Primários (HE 0501 a 0504) através da bomba PC 0105.

3.2 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE RESFRIADORES DO GÁS

O gás de coqueria (COG) ao sair do separador primário é conduzido aos resfriadores de Gás por intermédio de tubulação que interliga os dois equipamentos. Os quatros resfriadores de gás operam em paralelo, não havendo assim, um resfriador considerado reserva; porém, em caso de real necessidade poderá ser retirado um resfriador, sem causar problema operacional. O gás de coqueria (COG) entra pela parte superior de cada resfriador e sai pela inferior direcionado aos precipitadores eletrostáticos. O sistemade resfriamento é composto de dois circuitos independentes.

O maior em volume e superfície de troca térmica é o circuito de água desmineralizada, em circuito fechado, que funciona do seguinte modo: a água desmineralizada é impulsionada de baixo para cima através do feixe tubular, até sair no topo do equipamento quando alimentará a sucção da bomba e por intermédio desta, a água passará pelo trocador até a entrada do resfriador fechado assim, o circuito. O esfriador utiliza água do mar para resfriamento da água desmineralizada. Se houver alguma perda de água desmineralizada, haverá automaticamente uma reposição através de um sistema (caixa) instalado na saída de água do resfriador. O segundo circuito é o da água desmineralizada gelada que será enviado da Unidade 80 (grupo frigorífico). Esta água entra na base do equipamento e sai na seção imediatamente inferior à entrada do circuito de água desmineralizada. Os potes de selo instalados em cada resfriador, devem receber continuamente, além dos condensados provenientes da redução de temperatura, a mistura de Alcatrão + água amoniacal injetada para a remoção de naftaleno. Esse volume de líquido escoa até os tanques TK 0501 A/B, onde por intermédio de bombas PC 0602 A/B será descarregado no tubo coletor de gás das Baterias de fornos. A reposição automática de água do circuito de resfriamento de gás, é realizada pela bomba PC 0503, que por sua vez é alimentada pelo tanque TK 0502.

FLUXOGRAMA DA UNIDADE DE RESFRIAMENTO

COG TANQUE

ALCATRÃO + ÁGUA AMONIACAL (^) DESMINERALIZADAÁGUA

ÁGUA DESMINERALIZADA

COG

EXCESSO

SP 0501

ÁGUA DESMINERALIZADA

ÁGUA MAR HE 0505

PC 0501

TK 0502

ÁGUA TK 0501 DESMINERALIZADA

PC 1201 A/B

ÁGUA DESMINERALIZADA GELADA ÁGUA DESMINERALIZADA PC 0502

MISTOS COLETORDE GÁS DAS BATERIAS

3.3 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRECIPITAÇÃO ELETROSTÁTICA

O COG após ter sido resfriado nos resfriadores de gás é encaminhado aos precipitadores eletrostáticos, onde por ação da corrente elétrica, são retidas as partículas de alcatrão em suspensão no gás de coqueria. A corrente elétrica cria um campo ionizante, onde as partículas de alcatrão adquirem carga positiva, que por sua vez serão atraídas pelas placas do recheio, pois estas possuem cargas negativas. O alcatrão escorrendo pelas placas até o fundo dos equipamentos é drenado continuamente através dos potes de selo para os tanques TK 0501 A/B. O gás tem fluxo ascendente pelo interior dos mesmos que operam em paralelo.

Em condições normais operam os três Precipitadores porém, em caso de necessidade (rotina de limpeza) é possível operar o sistema com dois Precipitadores, sem ocasionar problema operacional.

FLUXOGRAMA EXAUSTOR CONSUMO - 2Kg / cm² (TANQUE) TK 1201

COG DISTRIBUIÇÃO

MOTOR MARCHA-LENTA

MULTIPLICADOR DE VELOCIDADE

EXAUSTORES EX 1201 TURBINAS ST 1201

SEPARADORES DE PARTÍCULAS WS 1201

TANQUE PARA CONDENSADOS CS 1201 VAPOR M PRESSÃO

COG (VINDO LAVADOR NAFTALENO)

PC 1201 A/B

MOTOR ACIONAMENTO

3.5 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE RETIRADA DE AMÔNIA

O gás de coqueria, após sua passagem pelos precipitadores eletrostáticos (EF 0901-0902-0903) para retirada de alcatrão é encaminhado aos lavadores de gás (K 1501-1502) para ser retirada a amônia. O gás em fluxo ascendente pelo lavador K 1501, recebe em contra fluxo um banho de água amoniacal proveniente da base do lavador K1502. O gás semi-lavado, em seu curso normal entrará pela base do lavador K 1502 e em fluxo ascendente recebe em contra-fluxo um banho de água amoniacal proveniente das colunas de destilação de amônia e água desmineralizada proveniente do tanque TK

Após esta última lavagem, o gás está dentro das especificações com relação ao teor de amônia total (NH3 total). Os trocadores de calor operam com água desmineralizada gelada em circuito fechado.A água amoniacal produzida é identificada como água amoniacal enriquecida.

FLUXOGRAMA DOS LAVADORES DE AMÔNIA

D

B

A C A

E F

ÁGUA AMONIACAL COM AMÔNIA LIVRE

K - 1501 K - 1502

ÁGUADESMINERALIZADA

PC 1502

TK 1501

TK 1504

PC - 1505

HE - 1502 HE - 1501^ HE - 1504^ HE - 1503

ÁGUA DESMINERALIZADA GELADA

PC - 1501

LEGENDA:

A - Gás de Coqueria - COG; B - Água Amoniacal Enriquecida; C - Água Amoniacal Concentrada; D - Água Desmineralizada; E - Água Desmineralizada Gelada; F - Água Amoniacal sem Amônia Livre;

3.6 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE AMÔNIA

As colunas de destilação de amônia K-1701 A/B devem operar em paralelo e serão alimentadas com água amoniacal proveniente de duas fontes 1º água amoniacal proveniente do tanque TK-1501 2º água amoniacal de produção, proveniente dos filtros de cascalho GF 1501 A/B via tanque 1501.

A água amoniacal enriquecida entra na parte superior das colunas (15º prateleira). A água amoniacal enriquecida, possui dois fluxos de alimentação, o primeiro envia a água diretamente às colunas e o outros, e que é o principal, passa pelos trocadores de placa HE 1702 A/B para ser pré-aquecido pela água proveniente das bases das colunas.

As colunas são divididas em duas seções isoladas internamente e interligadas externamente.

A base da coluna é mantida sob baixa pressão através dos injetores E-1701 A/B,

FLUXOGRAMA DA UNIDADE DE DESTILAÇÃO DE AMÔNIA

HE 1703 A

K 1701 A

BS 1701 A BS 1701 B

K 1701 B

A

B

C

PC 1701 A / B HE 1702 A^ HE 1702 B PC 1701 C

HE 1702 B

E (^) F G D

A

B

LEGENDA:

A - Água do Mar; B - Água do Mar para Esgoto; C - Vapores de Amônia; D - Água Amoniacal para a Coluna de Concentração; E - Água Amoniacal Enriquecida do Tanque TK 1501 F - Água Amoniacal para os Lavadores de Amônia e Lavador de Gás K 1502 G - Água Amoniacal para o Tratamento Biológico

FLUXOGRAMA DA UNIDADE DE CONCENTRAÇÃO AMONIACAL VAPORES DE AMÔNIA

K - 1702 TK - 1701

A B

C

A

ÁGUA AMONIACAL CONCENTRADA (^) PC - 1704 A

F

PC - 1703 A PC - 1703 B

HE - 1704 A

HE - 1704 B

D

E

LEGENDA: ÁGUA AMONIACAL CONCENTRADA

A - vapores de Amônia B - Vapores de Amônia para Lavador de Amônia C - Água amoniacal sem Amônia Livre ( da Destilação ) D - Água do Mar E - Água do Mar para Esgoto F - Água Amoniacal Concentrada para o Tanque TK - 1501

3.7 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE COMBUSTÃO DE AMÔNIA

Os vapores de amônia produzido pelas colunas de destilação, são conduzidos até o BR-2101, onde também entrará o COG e o ar para combustão.

Na câmara R-2101 haverá a combustão completa da mistura gasosa (NH3 + COG + AR) gerando um alto despreendimento de calor (± 1100°C) que é aproveitado para a produção de vapor saturado. A caldeira para produzir vapor receberá uma alimentação contínua de água, previamente tratada pela unidade de água desmineralizada e enviada ao CDQ. O CDQ consumirá uma maior quantidade, e uma pequena quantidade(± 8 t/h) é enviada à caldeira HE 2101.

Os gases gerados durante a combustão serão conduzidos por tubulação até a chaminé das baterias. A amostra da água da caldeira é resfriada no trocador HE 2102, para posteriormente ser enviada ao laboratório. A drenagem de resíduos será feita para o tanque RC 2101 onde haverá