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No 20 - Maio - Junho 2000
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EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA NA PRODUÇÃO E NO USO DO CARVÃO VEGETAL


Omar Campos Ferreira
omar@ecen.com.


O uso do carvão vegetal na siderurgia está intimamente relacionado com o processo de industrialização do Brasil. Na época em que a estrutura viária não permitia o emprego do carvão mineral, importado ou produzido no País, o carvão vegetal, de fácil produção e de baixo custo, viabilizou a implantação de usinas de pequena capacidade de produção, compatíveis com o nascente mercado de aço. Após algumas tentativas, frustradas pela inexperiência nacional no ramo e pela dificuldade de técnicos europeus em adaptar sua experiência à realidade brasileira, estava implantado em Minas Gerais, na década de 20, um conjunto de usinas a carvão vegetal, com produção de cerca de 4 mil toneladas de aço por ano. Já em 1946, a produção da Usina da Belgo Mineira, em João Monlevade, atingia a 342 mil toneladas/ano, correspondente a cerca de 70% da demanda interna. Na década de 50, com a instalação da Usina de Volta Redonda, consumindo coque de carvão mineral importado, iniciou-se um período de competição entre os dois combustíveis-redutores, observando-se, nos últimos anos, o declínio acentuado do uso do carvão vegetal.

A importância dos combustíveis da biomassa para o abatimento do carbono lançado na atmosfera como CO2, CO e CH4 é reconhecida pelas nações que participam das reuniões internacionais relativas ao clima. Propostas de modalidades de incentivo ao uso da biomassa nos países em desenvolvimento, com compensações a cargo dos países industrializados, têm sido apresentadas, mas ainda não se chegou a consenso sobre a questão, apesar do reconhecimento geral do agravamento do efeito estufa. A queda do preço do petróleo, a partir de meados da década de 80, favorecendo o transporte internacional de mercadorias, contribuiu fortemente para o aumento da emissão dos gases de efeito estufa em todos os setores da atividade produtiva, tanto pela emissão por veículos de transporte quanto pelo consumo de combustíveis fósseis na indústria. Entretanto, não se pode estar certo de que o preço do petróleo se mantenha baixo, no futuro próximo, sendo, portanto, previsível o retorno ao uso da biomassa energética, particularmente no Brasil.

O carvão vegetal pode ser considerado como vetor energético de uso amplo, tanto que após o primeiro choque de preço do petróleo (1973) foi estimulada, pelo Governo Federal, a substituição do óleo combustível por carvão em vários setores da produção industrial, cabendo ao carvão vegetal uma participação expressiva nesse esforço. Entretanto, é na indústria metalúrgica que ele encontra seu melhor nicho de mercado por favorecer a produção de ferro-gusa praticamente isento de enxofre, fósforo e outros elementos indesejáveis. Este trabalho considerará prioritariamento o uso na metalurgia.

PRODUÇÃO DO CARVÃO VEGETAL.

A pirólise ou destilação seca da madeira ou de outra biomassa vegetal, em atmosfera controlada e a temperatura conveniente, produz o carvão vegetal e matéria volátil parcialmente condensável. Da condensação resultam o líquido pirolenhoso contendo o ácido pirolenhoso e o alcatrão insolúvel. O líquido pirolenhoso compõe-se de ácido pirolenhoso, uma solução aquosa de ácidos acético e fórmico, metanol e alcatrão solúvel, e constituintes menores. A matéria volátil não-condensável consiste de compostos gasosos de carbono (CO2, CO, CnHm) e nitrogênio. A análise do carvão e da matéria volátil mostra que sua composição depende fortemente: da temperatura de carbonização, da espécie vegetal que fornece a madeira e da idade da árvore. Desta forma, o carvão produzido a partir de espécies nativas apresenta certa flutuação nas propriedades físico-químicas e mecânicas, indesejável no processo de produção do ferro-gusa. A evolução da tecnologia siderúrgica levou naturalmente à necessidade de se padronizar a madeira através da plantação de espécies selecionadas com vistas a melhorar: o rendimento em carvão, o seu teor de carbono (carbono fixo), a densidade e outras propriedades mecânicas requeridas pelo uso em altos-fornos.

O processo de carbonização pode ser esquematizado em 4 fases:

- Secagem da madeira, com a vaporização da água absorvida por higroscopia da madeira, da água absorvida através das paredes das células e a água quimicamente ligada, ou de constituição. A faixa de temperatura na secagem vai de 110 a 200 0 C. O calor necessário para manter a temperatura adequada provém da queima de parte da madeira, seja na própria câmara de carbonização, nos fornos de carbonização mais rudimentares, seja em câmara de combustão própria, nos fornos evoluídos.
- Pré-carbonização, que se dá no intervalo entre 180-2000 C e 250-3000 C, fase ainda endotérmica em que se obtém uma fração do líquido pirolenhoso e pequena quantidade de gases não condensáveis.
- Carbonização, reação rápida e exotérmica, iniciada entre 250 e 3000 C, na qual parte da madeira é carbonizada e a maioria do alcatrão solúvel e o ácido pirolenhoso são liberados.
- Carbonização final, a temperatura superior a 3000 C, com a formação da maior parte do carvão.

As propriedades físico-químicas e mecânicas do carvão (composição, reatividade a CO2 , densidade, resistência à compressão, etc.) dependem: da composição e da estrutura da madeira, da umidade, das dimensões da tora, da temperatura de carbonização, da taxa de aquecimento da carga no forno e de outras variáveis menos relevantes. O modo de se operar o forno para se obter carvão de boa qualidade é uma técnica ainda empírica, devido à multiplicidade dos fatores a se considerar e dos meios de monitoração do processo compatíveis com a estrutura da produção. De fato, a necessidade de se produzir carvão vegetal a preços competitivos com o coque impõe, na atual conjuntura da economia, certa rusticidade aos fornos e ao manejo da matéria prima e dos produtos. O estado da arte na década de 70, quando se colocou com clareza a importância dos combustíveis da biomassa, era pouco diferente da que existia nos anos 40, quando se instalou a Usina da Belgo-Mineira em Monlevade. Considerável esforço de aperfeiçoamento foi desenvolvido nos anos 80 e as empresas que persistiram nesse esforço, motivadas pelas excelentes qualidades do carvão vegetal para a produção de ferro-gusa e de ferro-ligas, mostram hoje avanço apreciável, tanto nas práticas florestais quanto no processo de carbonização.

FORNOS DE CARBONIZAÇÃO.

O modelo mais simples de forno é uma construção de alvenaria com a forma de colméia, com orifícios de entrada de ar. O carregamento é feito por batelada, sendo a madeira cortada em toras de 1,0 a 2,0 m de comprimento. O diâmetro da madeira é função da idade da árvore e do espaçamento do plantio, sendo desejável trabalhar com pequenos diâmetros para assegurar pequena friabilidade do carvão produzido (as informações usadas neste trabalho mencionam diâmetros entre 10 e 3 cm). A madeira é pré-secada ao ar até atingir a 25-30% de umidade.
O controle de ar é efetuado pela obturação progressiva dos orifícios de entrada de ar. A Figura 1 mostra um forno de alvenaria do tipo mais simples, de baixo custo, usado principalmente no carvoejamento de madeira nativa, vendo-se os orifícios de controle de entrada de ar. Nos fornos de alvenaria, o avanço do processo de carbonização é avaliado pela coloração da fumaça que escapa pelos orifícios. O processo de carbonização completo, do carregamento do forno a retirada do carvão, dura cerca de 8 dias.
As Figuras 2 e 3 mostram esquematicamente fornos maiores, sendo o de 4m de diâmetro usado como forno de encosta, em áreas acidentadas (parte do fechamento é feito pelo barranco). O forno de 5m de diâmetro, com melhor controle de entrada do ar e vida útil mais longa, é usado pelas empresas siderúrgicas com produção própria, em baterias de 36 a 108 fornos.

PRODUTOS DA CARBONIZAÇÃO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA.
Em experimentos de laboratório, a carbonização do Eucalyptus Grandis (a espécie adotada na maioria dos plantios nos anos 70 e 80) produz (% em massa, base seca) (1):

- Carvão com 86% de carbono fixo (CF)   33,0 %
- Líquido pirolenhoso   35,5 %
- Alcatrão insolúvel   6,5 %
- Gases não condensáveis   25,0 %

O ácido pirolenhoso compõe-se de: ácidos (acético e fórmico), alcatrão solúvel, pequena proporção de metanol (cerca de 1%) e água. A proporção de alcatrão total (solúvel + insolúvel) é de 12%.
Os constituintes principais dos gases não condensáveis (em % de massa) são (2)

- Hidrogênio   0,63 - Metano 2,43
- CO 34,0 - Etano 0,13
- CO2 62,0

O balanço de energia para o perfil de produção acima, referido a 100 g de madeira úmida é o seguinte:

Entalpia de 80 g de madeira 80 g x 4.200 cal/g = ( 336.000 cal )
Entalpia de 26,4 g de carvão com 86% CF = 26,4 x 0,86 x 7.100 = 161.200 cal
Entalpia de 9,6 g de alcatrão (total) = 9,6 x 6.000 = 57.600 "
Entalpia de 20,0 g GNC = 20,0 x 1.490

= 29.730 "

___________
248.500 cal.

 

Eficiência teórica

h teórica = entalpia dos produtos / entalpia dos insumos
teórica = 248.500 / 336.000 = 0,74

 
A eficiência real é bastante inferior à teórica, principalmente por não serem recuperados o alcatrão e não serem usados os gases não condensáveis na maioria das instalações. Para uma avaliação realista da eficiência, usamos poder calorífico do carvão como comercializado, registrado no Balanço Energético Nacional, e supomos, para a instalação típica, a produção de 25 g de carvão por 100 g de madeira pré-secada. (1)

h = (25 x 6.800) / 336.000 = 0,51

Ressalve-se que o poder calorífico obtido do BEN expressa o resultado de experimentos realizados pela Belgo-Mineira, Acesita e INT, e é superior ao que se calcula com base na composição obtida em laboratório.

No estado atual da arte, o alcatrão insolúvel e o ácido pirolenhoso são recuperados na proporção de 140kg / t carvão, ou 4% da massa de madeira carbonizada (MRA). O ácido pirolenhoso é destinado a outros usos industriais. O alcatrão, que pode substituir o óleo combustível, também é destinado a outros usos industriais devido ao baixo preço do óleo combustível. Computando-se apenas o alcatrão recuperável, a eficiência seria:

h = (25 x 6.800 + 3,2 x 6.000) / 336.000 = 0,56

Vê-se que a produção de carvão pode ser uma via eficiente de substituição do óleo combustível em conjuntura de escassez de petróleo, como o foi no decorrer da já mencionada crise da década de 70, com a difusão de tecnologia já dominada pelos grandes produtores . Para comparação, citamos a produção de metanol a partir do gás natural, processo intensivo em capital, cuja eficiência energética é de 65%.

A análise completa do processo de produção, distribuição e uso do carvão vegetal, tendo em consideração os aspectos econômicos (custo de capital, custo de distribuição, etc.) e sociais (distribuição de renda) ainda está por ser elaborada, utilizando a metodologia mais apropriada de análise exergética, em lugar da análise energética baseada simplesmente no Princípio de Conservação da Energia e que não abrange senão o aspecto energético. A simples consideração da eficiência energética conduz, em geral, a conclusões parciais, em geral desfavoráveis aos processos de industrialização da biomassa.

A figura a seguir mostra esquematicamente o processo integrado, da floresta ao produto acabado, utilizado pela Mannesmann S.A na produção de tubos sem costura.

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SUPRIMENTO DE CARVÃO VEGETAL.

A madeira usada na produção de carvão, no início da indústria siderúrgica, provinha exclusivamente de matas nativas. Madeiras nobres, como o jacarandá e o angico, eram carbonizadas segundo a tecnologia da época, com baixo rendimento em carvão. Entretanto, desde a implantação da Real Fábrica de Ferro, em Ipanema-SP, nos idos de 1818, Frederico Varnhagen já manifestava, em memorial ao Príncipe Regente, a preocupação com a conservação das matas (3) como medida de economia da indústria. A carbonização era feita em fornos rústicos, consistindo na ignição da lenha em montes (medas) que eram cobertas com terra logo que a massa em combustão fosse suficiente para completar a carbonização. Não havendo controle de ar, a carbonização era irregular e o carvão se misturava à madeira semi-queimada (tiços).

Na década de 40, iniciaram-se, em Minas Gerais, as práticas de plantio de eucalipto destinadas ao suprimento de carvão das usinas siderúrgicas do Estado que já produziam cerca de meio milhão de toneladas de aço por ano. A tecnologia de produção do carvão de florestas plantadas evoluiu pari passu com a tecnologia de produção do aço e foi impulsionada, na década de 60, pelo incentivo dado pelo Governo Federal, via Imposto de Renda. Apesar de vários defeitos na sistemática de incentivo, sendo o mais grave a desvinculação da atividade florestal das atividades de uso da madeira, visto que qualquer empresa poderia se beneficiar do incentivo, mesmo não sendo consumidora da matéria prima, o País formou considerável massa florestal destinada à indústria, estimada em 4 milhões de hectares ocupados com diferentes especies de Eucalyptus e Pinus. Um novo impulso à atividade florestal ocorreu na década de 70, em seguida aos dois choques de preços do petróleo, tendo sido estimulados os usos industriais da lenha e do carvão vegetal em substituição ao óleo combustível e ao carvão metalúrgico importado. O gráfico a seguir mostra a trajetória ascendente do consumo de carvão vegetal na década de 80 e a queda observada na década de 90. Infere-se que o uso na siderurgia determinou a evolução do processo.
O impulso de crescimento da demanda iniciado na década de 70 induziu à implantação do Programa de Carvão Vegetal do Governo Mineiro, abrangendo o desenvolvimento das técnicas florestais, dos métodos de produção e de caracterização do carvão e da introdução de inovações no processo de carbonização. Instalou-se, então, a prática de cooperação entre empresas siderúrgicas (Acesita, Belgo-Mineira e outras), órgãos do Governo (Instituto Estadual de Florestas, CETEC), Universidade (UFMG, UFV) e fabricantes de equipamentos, resultando na introdução de várias inovações, desde o preparo do solo até a recuperação de co-produtos do carvão. A avaliação dos ganhos advindos desse esforço, no âmbito da Acesita pode ser esquematizada como se segue:
- Práticas florestais (preparo do solo, adubação, melhoramentos na produção de mudas, adequação de espaçamento entre árvores, idade de corte, etc.) : em plantio experimental , verificou-se a elevação de produtividade da terra de 25 para 60 st/ha.ano (1).
- Processo de carbonização (fornos) : o forno tipo colmeia, ainda usado por pequenos produtores de carvão, utiliza cerca de 2,2 estéreos de madeira (cerca de 1,1 t) para produzir 1 m3 de carvão (0,25 t) (4). O forno moderno, dotado de chaminés, além de permitir a produção de carvão de melhor qualidade, pode chegar ao consumo de 1,8 estéreos por m3 ; o ganho potencial no processo é, pois, superior a 20%.
- Produção de ferro-gusa: a melhor qualidade do carvão de eucalipto e a adoção de práticas de conservação (p. ex. a injeção de finos do carvão nas ventaneiras do alto-forno) levaram à diminuição do consumo de carvão na produção do ferro-gusa. O gráfico abaixo mostra a concordância das curvas de queda de participação do carvão de florestas nativas no suprimento e a queda no consumo específico de carvão vegetal. É difícil estabelecer relação causal direta entre as duas curvas, já que ambas podem traduzir efeitos da mesma causa, por exemplo, a crescente capitalização do setor que impõe a necessidade de garantia do retorno dos investimentos. Da mesma forma, é difícil estimar os efeitos das diferentes medidas que resultaram na diminuição do consumo específico, pois algumas delas foram introduzidas simultaneamente. Especialistas do setor siderúrgico estimam ser possível atingir o consumo de 2,6 m3/t, equivalente a cerca de 0,65 t de carvão / tonelada de gusa.



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A foto seguinte mostra uma instalação moderna de carbonização da Mannesmann S. A., vendo-se os fornos do tipo "Missouri", equipados com pórticos para a descarga dos caminhões de madeira. Cerca de 50% destes fornos estão dotados de sistema de recuperação de alcatrão.

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PERSPECTIVAS PARA A INDÚSTRIA DE CARVÃO VEGETAL.

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O setor siderúrgico é o principal consumidor de carvão vegetal, como mostra o gráfico a seguir (consumo total, industrial e siderúrgico) . Assim, as perspectivas para a indústria de carvão vegetal estão, de alguma forma, ligadas às perspectivas para o mercado mundial de aço, visto que o Brasil exporta cerca de 40% da sua produção de aço bruto.

O gráfico a seguir, elaborado com dados do Iron & Steel Statistics Bureau mostra a evolução da produção mundial de aço a partir de 1960. Vê-se que a produção evoluiu segundo a lei logística, tendo ocupado já mais de 90 % do nicho próprio.


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A saturação do mercado mundial de aço, sugerida pelo gráfico, coincide, no tempo, com a ocorrência do pico de extração de petróleo (J.C. Campbell, 'The comming oil crisis", Multiscience Publishing Company, 1997), fato auspicioso para os ambientalistas e de péssimo augúrio para os economistas. Os fatos coincidentes poderiam ter sido previstos com razoável segurança a partir do reconhecimento dos respectivos pontos de inflexão das curvas, ambas logísticas, que descrevem a demanda integrada de aço e a descoberta integrada de reservas de petróleo explorável com a tecnologia disponível e aos custos vigentes (óleo "convencional"). Tal previsão reflete uma conjuntura econômica sujeita a restrições físicas (a reserva finita de petróleo) e pode ser considerada como segura, dada a conjuntura. A reversão de expectativas passa, então, a depender de mudanças na tecnologia de conversão de energia ou da introdução de uma nova fonte, ,já que a conservação, considerada isoladamente e na escala necessária, teria efeitos negativos na economia mundial, ou, ainda, de mudança na tecnologia de produção de aço. Algumas dessas transformações já estão em andamento (célula de combustível, co-geração de eletricidade, ciclos termodinâmicos combinados, informática e outras).

No setor siderúrgico, além de melhorias nos processos de coqueificação do carvão e de redução do minério de ferro, desenvolve-se a de reciclagem do aço em fornos elétricos a arco, usando sucata de aço e uma carga adicional de até 40% de metal virgem. As fontes de metal virgem serão o ferro gusa e os pré-reduzidos produzidos por redução direta utilizando o gás natural ou o carvão vapor. Estima-se que a emissão de CO2 na produção em forno elétrico reciclando 40% de sucata corresponda a 25% da emissão observada na produção tradicional (alto-forno e forno básico a oxigênio) Especialistas do setor siderúrgico identificam oportunidade para o ferro-gusa produzido em fornos a carvão vegetal, cujas propriedades seriam superiores às de fontes de metal primário concorrentes. Análise elaborada a partir do balanço de massa indica que o déficit de metal primário poderá atingir a 63 milhões de toneladas em 2.010.

A possibilidade de o carvão vegetal continuar a representar sumidouro importante para o CO2 depende obviamente de sua competitividade em face dos concorrentes produzidos com combustíveis fósseis, visto que o critério econômico ainda é o prioritário na maioria das análises. Assim, as vantagens ecológicas e sociais da produção e do uso do carvão vegetal, como único absorvedor de CO2 entre todos os combustíveis-redutores usados na indústria siderúrgica e como empregador de mão de obra de menor qualificação, deverão ser exploradas pelas empresas e governos interessados.

Existe atualmente um déficit de reflorestamento em relação ao consumo de madeira, como mostra o gráfico a seguir, elaborado a partir de dados do Anuário ABRACAVE para 1.999 (ainda não editado). A descompensação entre consumo e plantio iniciou-se em meados da década de 80, podendo estar relacionada com a queda do preço do petróleo e a conseqüente queda do preço de exportação do carvão metalúrgico que, entre 88 e 97, passou de cerca de 50 para cerca de 32 dólares por tonelada. A vinculação entre os preços desses dois combustíveis fósseis observada até há poucos anos parece estar sendo sendo quebrada pela entrada do gás natural, inclusive no setor siderúrgico através da redução direta com CO gerado externamente ao forno de redução.


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O gráfico seguinte reflete a dinâmica de deslocamento do carvão vegetal pelo coque de carvão mineral, atualmente posto nas usinas de Minas Gerais a 95 dólares por tonelada. Estudo elaborado pelo Sindicato da Indústria do Ferro no Estado de Minas Gerais -SINDIFER- e a Federação das Indústrias- FIEMG- em 1997 mostra que o teto de preço competitivo do carvão vegetal deveria situar-se em R$ 25/m3 e indica um conjunto de medidas necessárias para garantir essa condição, algumas de âmbito interno ao sistema (promoção da qualidade, redução da distância média de transporte, mecanização, redução do consumo específico, desenvolvimento de indústrias correlatas, co-geração de eletricidade, aproveitamento da escória de alto-forno) e outras requerendo o apoio de agências de fomento (linhas de financiamento a juros próximos dos internacionais, incentivo a programas de fomento florestal, etc.).


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Um estudo elaborado para o SINDIFER, o Instituto Estadual de Florestas (IEF) e a Associação de Siderúrgicas para o Fomento Florestal (ASIFLOR) para o reflorestamento de 525.000 ha. na área de influência de Sete Lagoas, Divinópolis e Vale do Jequitinhonha, no Estado de Minas Gerais, com investimento de R$ 389 milhões, contempla os seguintes objetivos:
- fornecer madeira para a siderurgia (ferro-gusa e ferro-ligas), para indústrias de cimento, cerâmica e movelaria na região abrangida pelo estudo;
- produzir 175 milhões de m3 de carvão vegetal a custo inferior a R$ 20/m3 posto na usina siderúrgica, para produzir 67 milhões de toneladas de ferro-gusa;
- gerar, em média, 19.200 empregos diretos e permanentes ao longo do ciclo de plantação e exploração (o investimento por emprego gerado, cerca de R$ 20.000, é a metade do correspondente à média na indústria brasileira), com massa de salários pagos da ordem do triplo do investimento direto;
- absorver cerca de 37,5 milhões de toneladas de CO2; e
- proporcionar retorno de capital de cerca de 19% pagando juros de 6% aa.

O estudo considera algumas modalidades de financiamento do plantio já ensaiadas com resultados promissores. São as seguintes :
- plantio em terrenos próprios das empresas interessadas;
- plantio em terrenos arrendados, geralmente pouco produtivos para a agricultura;
- programas do tipo "fazendeiro florestal" mediante parceria de empresas com fazendeiros; e
- fomento florestal por órgãos de financiamento.

O estudo mencionado, tomado como exemplo, mostra que a atividade de reflorestamento não é gravosa e poderá voltar a ser atraente do ponto de vista econômico, principalmente se vier a ser implementado o sistema de bonificação por absorção de CO2 ou, independente disto, se o preço do coque acompanhar o preço do petróleo ora em ascensão.


REFERÊNCIAS.

1 - "State of the Art Repport on Charcoal Production in Brasil"
FLorestal Acesita S.A - 1982
2 - "Produção e Utilização do Carvão Vegetal"
CETEC - Série Publicações Técnicas , 008 - 1982
3 -"História da Siderurgia no Brasil" - Prof. Francisco de Assis Magalhães Gomes
Ed. Universidade de São Paulo - 1983
4 - Competitividade e Perspectivas da Indústria Mineira de Ferro-Gusa
SINDIFER"
5 - A Sustentabilidade da Indústria de Ferro-Gusa" Prof. Hercio Pereira Ladeira e Eng. João Cancio de Andrade Araújo-1997- SINDIFER/FLORASA/IEF
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Fig. 1 - Forno empregado por pequenos produtores.


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Fig. 2 - Forno de encosta

 

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Fig. 3 - Forno utilizado por siderúrgicas integradas.


1 - Abertura para a ignição da carga
2 - Orifícios para controle de ar
3 - Orifícios de controle de ar no corpo do forno
4 - Chaminé
5 - Orifícios na base do cilindro do forno
6 - Portas de cargas e descarga
7 - Cinta de aço
8 - Estrutura de aço das portas
9 - Colunas de proteção das portas
Diâmetro do forno = 5,0 m

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Fig. 4 - Forno com câmara de combustão externaomar10.gif (4070 bytes)

Fig. 5 - Instalação para a recuperação de alcatrão

1 - Forno
2 - Torre de lavagem
3 - Ciclone
4 - Soprador
5 - Filtro
6 - Tambores para a coleta de alcatrão