O Carvão Industrial

Carvão Industrial

História

Tipos de Carvão

Negro de Carvão

O que é

O Negro de carvão é um material constituído por carbono, finalmente dividido, sem poros. Cada partícula dele é constituída por vários milhares de feixes microcristalinos, reunidos em forma caótica. Cerca de 50 a 80% dos átomos de carbono presentes no negro de carvão estejam presentes nos feixes microcristalinos, enquanto o resto está na forma de carbono desorganizado. Na superfície do carbono, o oxigênio, o enxofre e as vezes outros elementos reagem, nas posições correspondentes aos hidrogênios das plaquetas aromáticas polinucleadas, formando complexos, que são em geral análogos a composto da química orgânica.

Fabricação

Os quatro tipos de fabricação do negro de carvão são do tipo de combustão parcial (processo das calhas, da fornalha a óleo ou da fornalha a gás) ou do tipo de craqueamento (processo térmico). No início da década de 70, o processo da fornalha tornou-se dominante, e a maior parte do negro de carvão produzido mundialmente (cerca de 90%) é fabricada por esse processo que usam matérias-primas óleos combustíveis aromáticos e resíduos. O custo sempre crescente do gás natural levou a fechamento de quase todas as fábricas que operavam o processo de calhas; no final de 1973, apenas uma fábrica Americana, muito pequena, e outras e outras 3, em outros países, estavam ainda em atividade. Descreveremos rapidamente o processo das calhas para o negro de carvão, em virtude do interesse histórico. Esses negros se formam quando se faz incidir uma chama de gás natural, queimando com falta de ar sobre cara de ferro, de 8 a 10 polegadas, que têm um lento movimento alternativo sobre raspadores, para remover os depósitos de fuligem. O tipo de negro de carvão produzido é controlado pelo modelo do queimador, pela distância do queimador às calhas e pelo suprimento de ar (grau combustão parcial). Os rendimentos são sempre pequenos, variando de 5%, para algumas espécies de tipos destinados às borrachas, a apenas 1%, nos tipos destinados às tintas muito intensas.

O abandono rápido do processo das calhas se deve não só aos fatores associados ao baixo rendimento e ao custo do gás natural, mas também às necessidades elevadas de investimento em aço, aos problemas graves de poluição e ao desempenho um tanto inferior em conjunção com a borracha sintética (face ao desempenho dos negros de fornalha).

No processo térmico para negro de carvão, o gás natural é craqueado a negro de carvão e hidrogênio, entre 1100 ºC e 1650 ºC, numa fornalha revestida com refratários, em operação a dois ciclos (aquecimento e decomposição). A reação é:

CH4 🡪 C(amorfo)+2H2(g)     ∆H= +20,3kcal

Os pigmentos negros grandes, obtidos termicamente com (140 a 500 nm), são esféricos em essência, contém pouco oxigênio quimicamente absorvido e são usados sobretudo junto com a borracha. Os rendimentos são de 40 a 50%, e os pigmentos obtidos por este processo constituem um pouco menos de 10% da produção total americana, em 1973, o futuro do processo é incerto, tendo em vista os custos futuros do gás natural.

No processo da fornalha a óleo, usa-se como matéria-prima um óleo muito aromático (em geral um resíduo de craqueamento catalítico de refinaria ou, em certos casos, material derivado do alcatrão da hulha). que é convertido ao grau desejado de negro de carvão mediante a combustão parcial, ou pirólise, entre 1400 e 1650ºC, num reator de aço com revestimento refratário (principalmente de alumina).

Em essência, o óleo pesado aromático é atomizado e nebulizado, através de um bocal especialmente projetado, numa corrente turbulenta de gases de combustão, formada pela pré combustão de gás natural ou de óleo com cerca de 50% de excesso de ar. Para a combustão do óleo pesado, o ar remanescente não basta, e névoa de óleo é pirolisada em alguns microssegundos, convertendo-se em negro de carvão; os rendimentos (com base no carvão) variam de 65 a 70%, nos tipos grandes, destinados à cargas em carcaças, até 35%, nos tipos pequenos, destinados a carga em bandas rolantes, que conferem à borracha de estireno-butadieno, e a outros elastômeros sintéticos, o máximo resistência à abrasão.

A “fumaça” negra da câmara de reação penetra num túnel onde, de 1 a 3 m a jusante, é resfriada até 200ºC, mediante água. O túnel e a câmara de combustão tem três dimensões variáveis, usualmente de 2 a 6 metros de comprimento e de 0,1 a 1 m de diâmetro interno. Além da jusante, estão precipitadores, ciclones e, em maior quantidade, filtros de manga (isolados para permanecerem acima de 100 ºC), destinados a separar o negro de carvão produzido do vapor de água e dos gases efluentes. Com os filtros modernos a tecidos de fibra de vidro, a eficiência de recuperação do negro de carvão atinge, praticamente, a 100%. Depois da pulverização e da remoção de contaminantes sólidos, o material solto e macio é normalmente pelotizado, para tornar mais conveniente o manuseio a granel e reduzir a tendência ao empoeiramento. No processo de pelotização a úmido, comumente usado, o negro de carvão é agitado e misturado com água numa calha, provida de um eixo giratório, de onde se projetam raios, para formar as pelotas. Essas pelotas molhadas, usualmente de 25 a 60 mesh, são secas num secador a tambor giratório, aquecido a gás. No processo de pelotização a seco, formam-se as pelotas pela agitação suave e rolamento (10 RPM) do negro de carvão em tambores giratórios horizontais (com cerca de 3 metros de diâmetro e 6 a 12 metros de comprimento) durante intervalos que vão de 12 até 36 horas.

Negro de Acetileno

O negro de acetileno, que é um tipo especial de negro de carvão térmico usado em pilhas secas e para atribuir condutividade térmica  e elétrica a plásticos e borracha, é produzido pela decomposição térmica do acetileno (na ausência do ar), a cerca de 800ºC, num processo exotérmico contínuo. Este material (com diâmetro de partícula na ordem de 42 nm) tem um teor mais elevado de carbono e um nível de estruturação mais alto que os negros de carvão de fornalha ou de calhas.

Usos

Cerca de 94% do negro do carvão consumido nos Estados Unidos estão nos produtos de borracha, especialmente em pneumáticos (60% do total), saltos de sapato e bens  mecânicos,  onde é usado para melhorar a resistência ao desgaste graças ao aumento da rigidez. O negro de carvão tem uma responsabilidade importante na adoção da borracha sintética (especialmente do copolímero de estireno-butadieno) nos pneumaticos de automóveis. Os negros de fornalhas, de elevada abrasão, combinados com a borracha de estireno-butadieno “polimerizada a frio”, constituem pneumaticos que têm consistentemente maior resistência ao desgaste que os pneumáticos de controle constituídos por borracha natural e negros de carvão obtidos no processo das calhas. Nos pneumáticos modernos, o composto de borracha contém cerca de 35% de negro de carvão, o que explica o papel da indústria de borracha como principal consumidora do produto. Muitas tintas de impressão são também baseadas no negro de carvão. Neste caso, os pigmentos devem ser soltos, devem ser cominuidos sem esforço e devem absorver óleo com facilidade. Os pigmentos nos plásticos negros, nas tintas, nos vernizes e nos esmaltes pretos são também de negro de carvão. Os tipos destinados às tintas de impressão e às outras tintas (que comparecem com 1,5 e 0,6%, respectivamente, do total de negros usados) eram obtidos antes quase que apenas pelo processo das calhas; na atualidade, entretanto foram substituídos amplamente pelos negros de fornalha, sobretudo pelos tipos oxidados ao ar ou quimicamente. Até em fitas de máquinas de escrever e em papéis-carbono emprega este pigmento.