Coqueificação e Carvões

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6. COQUEIFICAÇÃO, CARVOEIJAMENTO E 
GASEIFICAÇÃO 
 
6.1 COQUIFICAÇÃO 
 
O processo de coqueificação consiste em aquecer um carvão ou 
uma mistura de carvões na ausência de ar de forma que 
substâncias voláteis são produzidas e deixam a massa sólida. A 
coqueificação já foi definida com destilação carvão, mas essa 
definição é incorreta já que na definição não há reação química, 
apenas separação de substâncias. Na coqueificação as moléculas 
de carvão são decompostas termicamente quebradas em moléculas 
menores. Trata-se de uma pirólise, ou seja, deposição térmica. Os 
produtos da coqueificação são: o coque, que é o resíduo sólido do 
processo e os voláteis, também chamados de subprodutos ou 
produtos carboquímicos. Esses últimos são chamados em inglês de 
by-products. Os voláteis têm considerável valor e alguns casos são 
o produto enquanto o coque é o subproduto. 
 
Pode-se fazer a coqueificação a baixa temperatura ou a alta 
temperatura. O coque de baixa temperatura ainda contém 
consideráveis teores de hidrogênio. Tem poucas aplicações 
metalúrgicas sendo mais usado como combustível de uso geral e 
até em aquecimento doméstico. 
 
A coqueificação a alta temperatura dá-se a cerca de 1000 oC. O gás 
é rico em hidrogênio mas há também voláteis condensáveis que 
geram produtos sólidos como o alcatrão. O gás contém pequenos 
teores de CO, CO2, H2O, C2H6, H2O H2S e NH3. A “análise” imediata 
indica baixo índice de voláteis, < 2%. Processos metalúrgicos usam 
quase que exclusivamente o coque de alta temperatura. 
 
No processo dito “com recuperação de voláteis” a coqueificação se 
faz em retortas retangulares com altura de 4 a 7 metros, largura em 
torno de 0,5 metro de espessura e 14 metros de profundidade, 
podendo haver variações nessas dimensões. A razão para uma das 
dimensões seja tão menor que as outras é que deve haver um dos 
lados com considerável área por onde se faz o aquecimento. As 
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retortas são dispostas em baterias, que são conjuntos de até 75 
fornos separados por câmaras de combustão. O conjunto de 
baterias e periféricos é chamado de coqueria e está presente nas 
grandes usinas siderúrgicas. 
 
O processo funciona em batelada. As retortas são carregadas pelo 
topo e descarregadas pelos lados menores. Há uma porta em cada 
um dos lados opostos, perpendiculares ao sentido da bateria. As 
portas são removidas para descarga do coque e recolocadas antes 
do carregamento. De um lado da bateria o coque é empurrado por 
uma máquina com um êmbolo. Esse lado é chamado inglês de push 
side. Infelizmente não há um termo em português de uso 
generalizado. A máquina que empurra o coque também remove e 
recoloca a porta. Do outro lado uma máquina que remove a outra 
porta, guia u coque que estás sendo empurrado para um vagão 
especial que leva o coque para ser apagado. O apagamento é feito 
com uma chuveirada, apagamento a úmido, ou colocando-se o 
coque dentro de uma câmara fechada onde o coque é apagado por 
falta de oxigênio, apagamento a seco. A maior parta das 
siderúrgicas tem apagamento a seco. No Brasil só a CST tem 
apagamento a seco. 
 
O aquecimento é feito por queimadores que queimam o próprio gás 
de coqueria puro ou mesclado com outros gases. A coqueificação 
acontece à medida que uma frente de coqueificação se desloca da 
parede aquecida para o centro da retorta. Com são duas paredes 
aquecidas, duas frentes opostas de deslocam em sentidos opostos 
e se encontram no plano de simetria da retorta. Quando essas se 
encontram a coqueificação naquela retorta está concluída. O tempo 
de coqueificação é inversamente proporcional ao quadrado da 
espessura da retorta. A taxa operacional da coqueria, que indica a 
sua produtividade é dada por : 
 
TO = (24 horas / tempo de coqueificação (horas)) x 100 (6.1) 
 
Normalmente incluem-se o tempo de carga e descarga no tempo de 
coqueificação de forma que esse índice serve diretamente para 
calcular a produção de uma coqueria. Uma taxa operacional de 140 
significa que a retorta é descarregada 1,4 vezes ao dia. 
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Carvões coqueificáveis 
 
Nem todos os carvões produzem coque de qualidade adequada ao 
uso proposto. Embora todos os carvões sejam passíveis de 
coqueificação diz-se que carvão coqueficável á aquele que permite 
a produção de um coque adequedo. Normalmente coqueifica-se 
uma mistura de carvões e não um carvão individual. Muitos desses 
carvões isoladamente não dariam um coque adequado. 
 
Os carvões não são homogêneos em estrutura molecular. Em 1919, 
Mary Scopes definiu os quatro componentes petrográficos dos 
carvões: vitrênio, clarênio, durênio e fusênio. Esses componentes 
são chamados hoje de macerais, foram reagrupados em classes, 
ampliados e adotaram nova denominação, que será vista mais 
tarde. 
 
Tabela 6.1 – Macerais e suas características 
grupo de 
maceral vitrinita 
exinita ou 
liptinita Inertinita 
macerais telinita, colinita 
resinita, 
esporinita, 
cutinita, alginita 
microntia, 
fusinita, semi-
fusinita, 
esclerotinita 
origem madeira, cortiça, folhas 
resinas, 
esporos, 
cutículos, algas 
madeira, 
fungos 
(sclerotia) 
aparência em 
seção fina 
vermelho 
marron amarelo opaco 
aparência em 
luz refletida cinza médio cinza escuro 
amarelado ou 
cinza claro 
estrutura 
química 
teores médios 
de hidrogênio 
mais 
hidrogênio, 
mais alifáticos 
menos H, mais 
aromáticos 
comportamento 
na 
coqueificação 
muito reativo reativo inerte 
comportamento
na liquefação suscetível suscetível resistente 
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A petrografia examina os carvões quanto a seus macerais e mede 
algumas propriedades relevantes. Entre elas está refletância da 
vitrinita, ou seja, a capacidade desse maceral de refletir a luz 
incidente. Esse parâmetro ajuda a estabelecer o rank do carvão, 
que, junto com a composição petrográfica permite prever a 
qualidade do coque a ser produzido. Serve, portanto a uma 
atividade de grande importância na siderurgia e outros processos 
metalúrgicos: a seleção da mistura a coqueificar. 
 
Na coqueificação os macerais reativos, ver Tabela 6.1, entram em 
fase plástica que envolve os macerais inertes. Depois que as fases 
voláteis se desprendem e deixam a massa sólida, as fase fluidas se 
solidificam formando a estrutura porosa do coque. O balanço entre 
fases inertes e relativas define a resistência do coque. 
 
Outras propriedades importantes dos carvões são a moabilidade e a 
fluidez. A primeira para ao processamento antes da coqueificação e 
a segunda é também indicativa da suscetibilidade à coqueificação. 
 
O rendimento de coque é a relação entre a massa que se 
transformou em coque e a massa original da mistura de carvões que 
foi carregada na retorta. Esse valor depende fortemente do índice de 
voláteis mistura e do de cinzas da mistura. Aproximadamente 3/4 da 
matéria orgânica do carvão se transformam em coque 
 
A matéria mineral original dos carvões permanece no coque. O 
enxofre se distribui entre o coque e o gás dependendo se sua forma 
no carvão. O enxofre pode ser mineral ou orgânico, ou seja, pode 
estar no carvão na forma de piritas ou sulfatos nos componente 
minerais ou entre os átomos que forma as macromoléculas carvão. 
Em números gerais pode-se dizer que 1/3 sai nos gases e 2/3 ficam 
no coque. 
 
6.2 CARVOEJAMENTO 
 
O carvoeijamento, ou carbonização, é também um processo de 
pirólise no qual a madeira é aquecida em um ambiente sem 
oxigênio, como na coqueificação. 
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A madeira é constituída de três polímeros: celulose, hemicelulose e 
lignina em proporção aproximada de 50:20:30. Os demais 
componentes da madeira presentes em menor quantidade são 
compostos de baixo peso molecular chamados extrativos, 
encontrados principalmente na casca e que englobam óleos, 
resinas, fenóis, taninos,graxas e corantes 
 
A celulose é o polissacarídeo mais abundante da natureza. Sua 
cadeia é constituída de unidades de glicose, unidas por átomos de 
oxigênio, resultando em alto peso molecular, 3 a 5 x 105. As cadeias 
de celulose nas paredes celulares das plantas são arranjadas 
compactamente de modo que suas fibras apresentam regiões 
nitidamente cristalinas. A glicose cararcateriza-se por um anel 
formado por 5 átomos de carbono e um de oxigênio. 
 
As hemiceluloses, presentes na madeira em menor grau de 
polimerização, com peso molecular entre 25 e 35 x 103, envolvem as 
fibras de celulose. Elas diferem da celulose, principalmente, por 
apresentar várias unidades de açúcar diferentes de 5 ou 6 átomos 
de carbono. 
 
A lignina é um polímero amorfo e heterogêneo que envolve os 
polissacarídeos da madeira, todos com anéis benzencos e grupos –
CH3 e de grupos –OH. São eles os alccolis para-comarílico, para-
sinapílico e coniferílico. Sua estrutura tridimensional explica a rigidez 
e a resistência às forças de compressão 
 
 
Mesmo aquecida a apenas 100 oC por períodos prolongados a 
madeira sofre modificações estruturais importantes. Primeiro perde 
a umidade, depois das moléculas de sacarídeos formam-se acido 
acético, acido fórmico e metanol, O processo industrial é 
normalmente realizado em quatro estágios, segundo a Tabela 6.2. 
 
A lignina contribui predominantemente para a formação do resíduo 
carbonífero, enquanto os polissacarídeos são a principal fone dos 
produtos voláteis. A ruptura das ligações glicosídicas na celulose 
ocorre em temperaturas acima de 300 oC. 
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No Brasil as instalações existentes são projetadas quase sempre 
para aproveitar somente o carvão vegetal, perdendo-se os voláteis e 
não-condensáveis. Neste tipo de carbonização a energia é 
equivalente a 11 GJ por tonelada de madeira seca para um 
rendimento médio de 30% de carvão. Com a utilização de retortas a 
perda é menor, pois é possível o aproveitamento dos gases não 
condensáveis, sobretudo na demanda térmica na etapa de secagem 
da madeira. 
 
Tabela 6.2 – Etapas da pirólise da madeira 
etapa temperatura (oC) produtos voláteis 
Secagem 100 a 200 H2O 
endotémica 170 a 270 H2O, CO2, CH3OH, CH3CO2H, alcatrão 
exotérmica I 270 a 280 H2O, CO2, CH3OH, CH3CO2H, alcatrão, H2, CH4 
exotérmica II 280 a 400 H2, CH4 e outros 
hidrocarbonetos 
. 
O alcatrão isento de água, obtido após tratamento térmico com 
vapor superaquecido, possui elevado poder calorífico, cerca de 27 
MJ/kg e pode ser usado como combustível. 
 
Nos fornos com retorta a pirólise da madeira desenvolve-se sem 
contato direto com a fonte de calor, permitindo a reciclagem dos 
gases e a condensação dos voláteis. Neste caso os rendimentos 
dos diversos produtos são os mostrados na Tabela 6.3. 
 
Tabela 6.3 – Rendimentos da pirólise da madeira. 
carvão 38% 
gases não-condensáveis 20% 
alcatrão insolúvel 7% 
alcatrão solúvel 3% 
ácido pirolenhoso 33% 
 
O ácido pirolenhoso é uma solução aguosa de metanol, acetona, 
acido acético e outros álcoois e ácidos. 
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6.3 GASEIFICAÇÃO DE CARVÃO E COQUE 
 
A gaseificação visa a se obter um combustível gasoso a partir de 
combustíveis sólidos ou líquidos. as vantagens de manusear e 
controlar a queima de um combustível gasoso em lugar de um 
combustível sólido ou mesmo líquido são obvias. 
 
A gaseificação e dá pela combustão parcial do sólido com ar, 
oxigênio, vapor ou mesmo CO2. O equipamento de gaseificação 
mais popular é o gasogênio. 
 
Na operação do gasogênio é muito importante considerar o 
equilíbrio da reação de Boudouard: 
 
CO2 + C = 2CO (6.I) 
 
Também é importante e a reação de troca de oxigênio (shift 
reaction): 
CO + H2O = CO2 + H2 (6.II) 
 
Elas é que determinam a composição do gás obtido. 
 
No calculo do equilíbrio pode-se usar ao dados da Tabela 6.4. 
 
Tabela 6.4 – Valores de DGo /R para os óxidos e C(coq) 
 H2O CO2 CO C(coq) 
A -29898 -47408 -13437 361 
B 6,59 -0,10 -10,54 -0,25 
 DGo/R (K) = A + BT 
 
 
Exercícios resolvidos 
 
6a) Qual a produção esperada para uma bateria de coque que tem 
50 fornos de 38m3 operando a taxa operacional de 140? Considere 
a densidade do carvão igual a 0,5 t.m-3 e rendimento de 
coqueificação de 0,80. 
 
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Solução: 
 
50 fornos x (140/100) x 38 m3 x 0,6 tcq.m-3 x 0,80 tcq.tcv-1 x 365 d.a-1 
 
= 466 kt.a-1 
 
6b) Calcule quantos hectares de floresta são necessários para 
abastecer uma usina que produz 1 milhão de toneladas de gusa 
anuais consumindo 600 kg de carbono por tonelada de gusa, com 
um rendimento de peneiramento de 85%. Considera a produtividade 
como 140 m3/ha em 6 anos e a densidade da madeira igual a 0,4 
t/m3 (fonte: Embrapa, e [3]). 
 
Solução: 
 
Necessidade de cv: 0,75 tcaf/tgusa x 1,0 x 106 tgusa a-1 / 0,85 tcaf tcaf-1 = 
 
882 x 103 tcv. a-1 
 
em que: caf = carvão alto-forno, cv = carvão vegetal, mad = madeira 
 
Produção de carvão vegetal por ha: 
 
200 m3 mad ha-1 x 0,5 t m-3mad x 0,38 tcv tmad-1 / 2 anos = 19 tcaf ha-1.a-1 
 
(o corte deve ser feito a cada 2 anos, após os primeiros 5 anos) 
 
área necessária 
 
 882 x 103 tcaf a-1 / 19 tcaf ha-1 a-1- = 46,4 x 103 ha = 464 km2 
 
Comparando: área do estado do Rio de Janeiro 1.200 km3 
 
6b) Qual seria a composição de gás obtido pela gaseificação de 
carvão a 900 oC e à pressão de 1 atm se fosse usado uma mistura 
com volumes iguais de ar e vapor d’água ? considere a atividade e 
do carvão igual a da grafita e despreze a energia livre de formação 
do carvão. 
 
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Solução: 
Trata-se de realizar um balanço de massa de C, H e O que também 
atenda ao equilíbrio de (6.I) e (6.II) a 1173 K. Para (6.I) 
 
CO2 + C = 2CO 
 
A = 2(-13437) – (-47408) = 20534 
 
B = 2(-10,54) - (-0,10) = - 20,96 
 
(CO)2.CO2) =exp (- (A/T +B) =exp( -(20534/1173 – 20,96)) = 32 
:. CO = 0,97 e CO2 = 0,03 
 
Para (6.II) CO + H2O = CO2 + H2 
 
A = (-47408) - (-13437) - (-29898) = - 4073 
 
B = (-0,10) - (-10,54) - (6,59) = 3,85 
 
 (CO.H2/CO2.H2O) =exp (- (A/T +B) = -(-4073/1173 + 3,85) = 0,695 
H2/H2O = 0,695 (CO/CO2) = 0,695 (0,97/0,03) = 22,5 
C + sH2O + tO2 + uN2 = vH2 +wH2O +xCO + yCO2 +zN2 
 
Tomando um mol de C e montado equações com os índices, com 
base nos dados do problema, nos equilíbrios químicos e nos 
balanços de massa dos elementos: 
 
s = t + u , u = (79/21)t e v = 22,5w 
 
C: 1 = x + y : . x = 0,93 e y = 0,03 
 
H2: s = v + w 
 
O: s + 2t = w + x + 2y 
 
Resolvendo: 
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v = 0,970 0,415 H2 
w= 0,030 0,013 H2O 
x = 0,715 0,306 CO 
y = 0,032 0,014 CO2 
z = 0,591 0,253 N2 
 2,338 1,000 
 
Referências 
1. Produção da Extração Vegetal e da Silvicultura 2006 - IBGE 
2. Portal Petrobrás 
3. http://www.floresta.org.br/