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INCORPORAÇÃO DE COQUE DE PETRÓLEO EM MASSA
CERÂMICA ARGILOSA DE CAMPOS DOS GOYTACAZES-RJ
R.O.Barreto(1,a), C.M.F. Vieira(1), S.N.Monteiro(1), R.M.Pinheiro(1)
[email protected](a)
Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)Laboratório de Materiais
Avançados (LAMAV)(1),Av. Alberto Lamego, 2000, 28015-620 Campos dos
Goytacazes – RJ
RESUMO
Neste trabalho foi realizado um estudo sobre as propriedades físicas e
mecânicas das peças sinterizadas de cerâmica vermelha contendo coque de
petróleo e massa argilosa. Foram preparadas composições com até 4% em peso de
coque de petróleo em mistura com a massa argilosa. Corpos-de-prova foram obtidos
por prensagem uniaxial e sinterizados na temperatura de 800ºC. Nas amostras
queimadas foram realizados ensaios tecnológicos para determinar absorção de
água, etração linear e tensão de ruptura à flexão. A análise microestrutural das
peças sinterizadas foi realizada por microscopia óptica. Os resultados mostraram
que a incorporação de coque de petróleo na proporção de 1,0 % melhora as
propriedades físicas e ocorre uma ligeira queda na resistência mecânica à flexão,
também favorecendo e proporcionando economia energética na etapa de queima.
Palavras-chaves Coque de petróleo, massa argilosa, campos dos goytacazes. :
1. INTRODUÇÃO
A indústria do petróleo é um segmento que a cada ano, devido à necessidade
da população mundial, aumenta a produção dos seus produtos. Dentre estes está
inserido o coque de petróleo. O coque de petróleo definido como um produto
resultante da etapa de craqueamento no refino do petróleo, com alto teor de
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carbono, poucas cinzas e contendo metais pesados. O coque é utilizado como
combustível em refinarias, e diversas indústrias, além de ser matéria prima para
produção do coque calcinado que é utilizado na indústria de alumínio (1).
A variabilidade natural das características das argilas e o emprego de técnicas
de processamento relativamente simples para fabricação de cerâmicas vermelhas,
tais como blocos de vedação e telhas, facilitam a incorporação de outros tipos de
materiais. Alguns destes materiais, na forma de resíduos, podem até facilitar o
processamento, e ainda contribuir para a redução do gasto energético como é o
caso do coque de petróleo, investigado neste trabalho, e melhorar a qualidade do
produto final (2).
2.MATERIAIS E MÉTODOS
As matérias-primas utilizadas para desenvolvimento deste trabalho foram
massa cerâmica argilosa e coque de petróleo. A massa cerâmica, composta por
misturas de argilas cauliníticas, é usada na confecção de blocos de vedação e de
lajotas da Cerâmica União situada no município de Campos dos Goytacazes, Rio de
Janeiro. O outro material estudado é o coque de petróleo, com origem na Petrobras,
durante o refinamento.
A Tabela 2.1 mostra as características físico-químicas e a composição química
do coque de petróleo, respectivamente (3).
Tabela 2.1 – Propriedades físico-químicas (3)
Propriedade
Característica
Estado físico
Sólido
Cor
Escuro
Temperatura de decomposição
> 300 0C
Densidade
0,83
Solubilidade na água
Insolúvel
A composição química do coque de petróleo foi realizada por fluorescência de
raios-X em equipamento Philips, modelo PW 2400, na qual os elementos foram
apresentados na forma de óxidos. Para a determinação do carbono orgânico,
utilizou-se o método calorimétrico. A leitura da amostra foi realizada em
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Espectrofotômetro SPEKOL UV VIS – 3.0 A determinação da composição
mineralógica foi realizada por meio de análises de Difração de raios-X (DRX),. A
análise morfológica do coque de petróleo foi realizada por Microscopia Ótica (MO),
utilizando-se um microscópio Neophot, modelo 32, do Laboratório de Materiais
Avançados (LAMAV) da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro
(UENF). A distribuição de tamanho de partícula das matérias-primas foi realizada
pelo método combinado de peneiramento e sedimentação, de acordo com a norma
ABNT NBR-7181 (ABNT, 1984). Foram preparados corpos-de-prova com misturas
de 0 %, 0,5 %, 1,0 %, 1,5 %, 2,0 % e 4,0 % em peso de coque de petróleo em
mistura com a massa cerâmica argilosa, como mostrado na Tabela 2.2. A mistura e
homogeneização das matérias-primas foram realizadas em um moinho de bolas,
sem bolas, por um período de 30 minutos. Em seguida as massas foram
umedecidas com 8 % em peso em água
Tabela 2.2 – Composição das massas cerâmicas (% em peso).
Amostra
Argila
Coque de petróleo
A0,0
100,0
0
A0,5
99,5
0,5
A1,0
99,0
1,0
A1,5
98,5
1,5
A2,0
98,0
2,0
A4,0
96,0
4,0
A compactação das massas foi feita por prensagem uniaxial a frio, com ação
única do pistão superior. A pressão de compactação foi de aproximadamente 20
MPa. Após os corpos-de-prova foram submetidos à secagem em estufa 110 °C por
um período de 24 horas.
O processo de sinterização dos corpos cerâmicos foi realizado em um forno
elétrico, com um ciclo de queima com taxa de aquecimento de aproximadamente 2
ºC/min da temperatura ambiente até atingir a temperatura de 800 ºC, permanecendo
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por 180 minutos (tempo de patamar). A taxa de resfriamento também se deu a
aproximadamente 2 ºC/min até a temperatura ambiente. Após queima, as amostras
foram submetidas aos seguintes ensaios tecnológicos: retração linear, absorção de
água e tensão de ruptura à flexão (3 pontos).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 3.1 apresenta o resultado da composição química do coque de
petróleo. O coque de petróleo apresenta elevada perda ao fogo 59,66 %. Esta
propriedade é um ponto bastante atrativo para a incorporação do Coque de Petróleo
como matéria-prima alternativa em cerâmica vermelha, uma vez que estará
proporcionando economia de energia para a indústria. O teor de SO3 é também
significativo, sendo associado ao enxofre elementar. Os demais óxidos estão
presentes em pequenas quantidades e atuam como impurezas.
Tabela 3.1 – Composição química do Coque de Petróleo (% em peso)
Al2O3
SiO2
SO3
V2O5
Fe2O3
NiO
ZnO
CuO
PF
C
0,24
0,29
35,37
0,69
0,41
0,67
1,18
1,49
59,66
92,50
A Figura 3.1 apresenta o difratograma de raios-X do coque de petróleo. Tratase de um material amorfo, pois só é possível identificar um pico que corresponde à
fase cristalina SiO2 (quartzo) que esta a 100 % com 2 θ em 29,684.
Q - Quartzo
Q
Figura 3.1 – Difratograma de raio-x do coque de petróleo.
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A Figura 3.2 apresenta a curva de distribuição de tamanho de partícula do
coque de petróleo após peneiramento em diâmetros de 840 a 44 µm. O coque de
petróleo apresenta uma distribuição de tamanho de partículas que esta 88,57%
5,71 % estão acima de 840 µm.
100
2
Passante (%)
80
1
3
60
40
20
0
10
100
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1000
Retida (%)
entre 840 e 44 µm, aproximadamente 2,5 % das partículas são inferiores a 44 µm e
Diâmetro das partículas (µm)
Figura 3.2. – Distribuição de tamanho de partícula do Coque de Petróleo
Figura 3.3 aspectos morfológicos do coque de petróleo obtidos por meio de
Microscopia Ótica. Partículas com formato irregular com aspecto brilhante.
(b)
1 mm
(c)
Figura 3.3 – Micrografias óticas do Coque de Petróleo em
aumentos de 5 X .
A massa apresenta uma distribuição de tamanho de partículas 100 % abaixo
de 257,1 µm, sendo que aproximadamente 29 % das partículas apresentam
tamanho inferior a 2 µm, fração argila de acordo com escalas internacionais para
classificação de solos
(4)
. A fração silte, entre 2 e 50 µm, com34,78 %. O restante da
distribuição compreende a fração areia que apresenta 36,22 %.
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6
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
90
80
Passante (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
1
10
100
Retida (%)
100
Diâmetro das partículas (µm)
Figura 3.4. – Distribuição de tamanho de partícula da massa cerâmica.
Limite de plasticidade (%)
40
MC – Massa Cerâmica
35
30
Extrusão
aceitável
•MC
25
Extrusão
ótima
20
15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Índice de plasticidade (%)
Figura. 3.5 Prognóstico de extrusão através dos limites de Atterberg para a massa
cerâmica
A Figura 3.5 apresenta a localização da massa cerâmica estudada num gráfico
elaborado a partir dos limites de plasticidade de Atterberg que indica regiões de
extrusão ótima e aceitável (5).
É possível observar na Figura 3.5 que a massa cerâmica, MC encontra-se
dentro da região considerada aceitável para extrusão. Este resultado indica uma
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elevada plasticidade da massa cerâmica argilosa, que esta em concordância com os
diversos trabalhos (6,7). Isto é devido basicamente ao elevado teor da fração argila.
A Figura 3.6 apresenta os resultados da densidade aparente, a seco e de
queima, da massa argilosa em função do teor de coque de petróleo incorporado.
Com a adição superior a 1 % do coque de petróleo ocorre uma diminuição tanto na
densidade aparente a seco quanto na de queima. Embora a densidade do coque de
petróleo seja inferior a da argila, 0,83 g/cm3 contra 2,69 g/cm3 a quantidade
incorporada foi pequena para influenciar significativamente nos resultados da Figura
3.6. A densidade aparente a seco da cerâmica pode ter sido reduzida com
incorporação acima de 1 % por influência da granulometria do coque. Já a
densidade de queima menor para as cerâmicas com teores de coque acima de 1 %
justificada pela própria densidade a seco e pela combustão do coque que acarreta
porosidade. Essa característica pode ser considerada benéfica para a cerâmica, pois
depois de sinterizada o produto ficará mais leve que o convencional.
É possível observar também que a densidade aparente a seco de todas as
formulações é superior à densidade aparente de queima. Este comportamento está
relacionado com a perda de massa que ocorre durante a queima, acarretando
porosidade. Portanto, o fechamento da porosidade em conseqüência das reações de
sinterização, não compensou a porosidade originada da perda de massa. Esta perda
de massa está associada à combustão do coque, eliminação de água de
constituição da caulinita e desidratação de hidróxidos.
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3
Densidade aparente a seco e de queima (g/cm )
8
1,80
1,75
1,70
1,65
1,60
1,55
1,50
1,45
Densidade a seco
Densidade de queima
A
0,0
B
0,5
C
1,0
D
1,5
E
2,0
F
4,0
Coque de Petróleo (% em peso)
Figura 3.6 Densidade aparente a seco e de queima em função adição de coque de
petróleo
A Figura 3.7 mostra os resultados de absorção de água das cerâmicas. Podese observar que não houve variação da composição A para a composição B. O
aumento significativo da absorção de água com a elevação da quantidade de
resíduo incorporado pode ser explicado tomando como base que o Coque de
Petróleo é um material carbonoso e consequentemente durante a sua queima ocorre
a formação de porosidade.
28
Absorção de Água (%)
27
26
25
24
23
22
21
20
A
0,0
B
0,5
C
1,0
D
1,5
E
2,0
F
4,0
C o q u e d e P e tró le o (% e m p e s o )
Figura 3.7 – Absorção de água em função da adição de Coque de Petróleo
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A Figura 3.8 mostra a retração linear das composições em função das
formulações investigadas. Ocorreu uma queda na Retração linear em formulação
com até 1 %. É verificado um incremento deste parâmetro a partir de 1,5 % de
incorporação, tendo um aumento de 73 % da formulação de 2 para 4 %. associado
ao aumento da porosidade.
1,8
Retração Linear (%)
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
A00
0,0
A05
0,5
A10
1,0
A15
1,5
A20
2,0
A40
4,0
Coque de Petróleo (% em peso)
Figura 3.8 – Retração linear em função da adição de Coque de Petróleo
Tensão de ruptura à Flexão (MPa)
5
4
3
2
1
A15
A00 A05
A10
A20 4,0
A40
1,0
1,5
2,0
0,0
0,5
Coque de Petróleo (% em peso)
Figura 3.9- Tensão de ruptura a flexão em função da adição do coque de petróleo
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4. CONCLUSÕES
O coque de petróleo trata-se de um material amorfo composto basicamente de
carbono, com pico de liberação de calor em 567,79 ºC com uma granulométrica fina,
apresenta-se com forma irregular e brilhante, ideal para incorporação em massa
argilosa para cerâmica vermelha.
A incorporação de coque de petróleo em massa argilosa proporcionou uma melhora
nas propriedades físicas até a incorporação de 1 %, com ligeira queda de resistência
mecânica a flexão. A partir deste valor as propriedades físicas são prejudicadas e
ocorre uma melhora na resistência mecânica a flexão, esta melhora na resistência
se da devido a uma melhor sinterização no interior das amostras queimadas.
A utilização de coque de petróleo incorporado na massa argilosa para cerâmica
vermelha em 1,0 % modifica ligeiramente as características físicas e mecânicas da
peça e proporciona uma economia significativa de combustível e financeira.
•
5.REFERÊNCIAS
1.DYNAMISMECANICA.
Disponível
em:
<http:www.dynamismecanica.com.br/artigo004.php> Acesso em 10 out. 2007
2.MENEZES, R.R; NEVES, G.A; FERREIRA, H.C. -State of the art about the use of
wastes as alternative to ceramic raw materials: Rev. bras. eng. agríc. Ambient, vol.6
no.2 , Campina Grande, 2002
3.LABORATÓRIO REGAP/OT/QP
4.SANTOS, P.S. Ciência e tecnologia de argilas: 2ª edição. São Paulo: Editora
Edgard Blucher,v.1, 1989.
5.DONDI, M.; MARSIGLI , M.; FABBRI , B. Recycling of Industrial and Urban Waster
in Brick Production- A Review: Tile & Brick Int. Vol.13, nº3, p.218-225, 1997.
6.VIEIRA, C.M.F; HOLANDA; J.N.F.; PINATTI, D.G. - Caracterização de massa
cerâmica vermelha utilizada na fabricação de tijolos na região de Campos dos
Goytacazes – RJ: Cerâmica, vol.45, p296, 2000.
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I N C O R P O R A T I O N O F P E T R O L E U M C O K E I N CLAYEY MASSES O F
CAMPOS DOS GOYTACAZES-RJ
ABSTRACT
This work presents the results of a study of the physical and mechanical
properties of sintered samples of red ceramic containing petroleum coke and clayey
masses. It was used, as raw materials, clayey masses from Cerâmica União at
Campos dos Goytacazes, North Rio de Janeiro State and petroleum coke from
petroleum refinery. Compositions were prepared with 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%,
and 4% by weight of petroleum coke blended with clayey masses. Samples-ofevidence were obtained by pressing uniaxial and sintered at temperature of 800 ° C.
In the firing samples were performed technological tests to determine water
absorption, apparent density, linear shrinkage and flexural strength. The analysis of
microstructure of sintered samples was performed, can by optical microscopy. The
results showed that the incorporation of petroleum coke in the proportion of 1.0%
improves the physical properties of the ceramic body with a slight decrease in the
flexural strength, also encouraging and providing significant fuel savings and financial
economic.
Key-words : petroleum coke, clayey masses, campos dos goytacazes
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