(1º) Descrever o princípio de funcionamento, os materiais processados e seus critérios de uso e reuso (se for o caso);

(2º) Identificar as operações unitárias e reações químicas em cada etapa do processamento, comentando sobre suas variáveis e parâmetros operacionais de controle;

(3º) Explicar o funcionamento dos principais equipamentos utilizados;

(4º) Elaborar a malha dos processos/fluxogramas ou esquemas explicativos;

(5º) Descrever os avanços tecnológicos da área da pesquisa.

CARVÃO MINERAL

Carvão é uma rocha sedimentar combustível oriunda de matéria orgânica,

considerado uma commodity de máxima importância atendendo um mercado

internacional na ordem de 4,7 bilhões de t/ano e continua crescendo. Os processos que

convertem a matéria orgânica em combustíveis (ação de microorganismos, pressão,

temperatura e tempo), através de distintos e consecutivos estágios, são chamados de

carbonificação. Os estágios de formação do carvão são os seguintes: vegetação, turfa,

linhito (baixo grau de carbonificação), carvão e antracito (alto grau de carbonificação).

Os carvões são divididos segundo a norma ASTM-D388 em quatro classes:

linhítico, sub-betuminoso, betuminoso e antracítico. A siderurgia brasileira a coque

utiliza há anos uma classificação baseada apenas na matéria volátil (MV) e que teve sua

origem na má aplicação da norma ASTM-D388. Nela os carvões são classificados (em

base seca) em alto voláteis (MV>31%), médio voláteis (24%<MV<31%) e baixo

voláteis (MV<20%).

2 CARBOQUÍMICA

Consiste no uso do carvão como produtor de insumos químicos (exemplos: amônia, metanol, aromáticos) e combustíveis (exemplos: gasolina, nafta e diesel) através de processos de gaseificação, carbonização ou liquefação. A indústria carboquímica pode utilizar-se dos vários produtos e subprodutos provenientes tanto da mineração e do processamento do carvão mineral, tanto do processamento industrial do carvão mineral. Junto com o minério do carvão pode vir outros minerais como pirita (sulfeto de ferro, FeS2), pirita associada a outros minérios, e outros minérios. A mineradora ao purificar o carvão mineral pode produzir como resíduos estes minerais associados a Pirita dando a indústria carborquímica opção de produzir ácido sulfúrico, ácido fosfórico, adubos minerais sulfatados e fosfatados, dentre outros.

O carvão mineral purificado vai para um destilador. Ele é aquecido a temperaturas elevadas na ausência de oxigênio. Neste processo é produzido o coque (carvão que fica no fundo do destilador), e o alcatrão, que é condensado, separando-se dele várias frações, que são posteriormente destiladas em fracionadores produzindo dezenas de substâncias.

2.1 – Gaseificação do carvão

A gaseificação do carvão é praticada desde a primeira metade do século XIX e tem a finalidade de converter o carvão mineral em combustível sintético de aplicação direta na produção de energia.

Existem diversos processos industriais de gaseificação do carvão, e o Brasil já domina essa tecnologia.

Os impactos ambientais e riscos aos operários nas usinas são aqueles relacionados à mineração e transporte do minério e, também, aos problemas do processamento, como riscos de incêndio e exposição humana a agentes cancerígenos, e exposição a altas temperaturas.

2.2 – Liquefação do carvão

O carvão, até 1961, era a principal fonte primária mundial de energia, quando foi suplantado pelo petróleo. No entanto, mantém-se até hoje como fonte energética nobre, pois sua conversão produz o combustível sintético líquido que mais se assemelha ao petróleo de ocorrência natural.

O processo de liquefação do carvão é bastante recente e visa transformar o carvão, que é encontrado em estado sólido na natureza, em combustível líquido. Nos EUA já existem usinas de liquefação de carvão, no entanto o processo é bastante sofisticado e caro. O Brasil ainda não domina essa tecnologia, embora pesquisas já estejam sendo desenvolvidas nesse sentido.

Até a Segunda guerra mundial, o carvão era o combustível mais utilizado no mundo. A descoberta dos combustíveis derivados do petróleo, que permitiu o desenvolvimento dos motores a explosão e abriu maiores perspectivas de velocidade e potência, e o surgimento da energia nuclear, relegaram o carvão a condição de fonte subsidiária de energia. No entanto, a disponibilidade de grandes jazidas de carvão mineral e o baixo custo do carvão vegetal ainda conferem a esse combustível um papel relevante.

2.3 – Coqueificação

Entre as propriedades do carvão relacionadas à coqueificação estão no rank, as propriedades aglomerantes, a moabilidade e as características das cinzas. O rank está relacionado ao amolecimento e viscosidade, enquanto que a composição petrográfica define a proporção entre os constituintes reativos e os inertes.

2.4 – Pirólise

A carbonização do carvão é um exemplo de conversão química. Quando o carvão mineral sofre pirólise térmica, ao abrigo de ar, converte-se em diversos produtos sólidos, líquidos e gasosos. A natureza e a quantidade de cada produto dependem da temperatura usada na pirólise e da espécie do carvão.

A teoria química da pirólise é dividida em etapas, sendo que a primeira diz que a medida que a temperatura se eleva, os “laços alifáticos entre os carbonos são os primeiros a romperem-se”. Em seguida, são rompidos entre o carbono e o hidrogênio, quando a temperatura chega próxima de 600ºC e as decomposições ocorrentes são essencialmente reações que eliminam os complexos heterocíclicos e conduzem a uma paulatina aromatização. À medida que a temperatura de carbonização aumenta, a massa molecular média dos produtos voláteis intermediários diminui constantemente fenômeno marcado pela saída de água, de monóxido de carbono, de hidrogênio, de metano e de outros hidrocarbonetos; ao final das decomposições a temperatura chega até 800ºC.

Quanto maior o teor de carbono, maior também é o poder energético. Por isso, a turfa, que em teores muito baixas e altas percentagens de umidade, nem sempre pode ser aproveitada como combustível, e nesse caso serve para aumentar a composição de matéria orgânica dos solos. Encontrada nos baixos e várzeas, ou em antigas lagoas atulhadas, a turfa caracteriza-se pela presença abundante de restos ainda conservados de talos e raízes. Já o linhito, muito mais compacto que a turfa, é empregado na siderurgia, como redutor, graças a sua capacidade de ceder oxigênio para a combustão como matéria-prima na carboquímica Quando o linhito se apresenta brilhante e negro, recebe o nome de azeviche.

A hulha é composta de carbono, restos vegetais parcialmente conservados, elementos voláteis, detritos minerais e água. É empregada tanto como combustível quanto redutor de óxidos de ferro e, graças a suas impurezas, na síntese de milhares de substâncias de uso industrial. O antracito, última variedade de carvão surgida no processo de encarbonização, caracteriza-se pelo alto teor de carbono fixo, baixo teor de compostos voláteis, cor negra brilhante, rigidez, e dificuldade com que se queima dada sua pobreza de elementos inflamáveis. É usado como redutor em metalurgia, na fabricação de eletrodos e de grafita artificial. Uma de suas principais vantagens consiste em proporcionar chama pura, sem nenhuma fuligem.

O carvão mineral, em qualquer de suas fases, compõe-se de uma parte orgânica, formadas de macromoléculas de carbono e hidrogênio e pequenas proporções de oxigênio, enxofre e nitrogênio. Essa é a parte útil, por ser fortemente combustível. A outra parte mineral, contêm os silicatos que constituem a cinza. As proporções desses elementos variam de acordo com o grau de evolução do processo de encarbonização: quanto mais avançado, mais alto o teor de carbono na parte orgânica e menor o teor de oxigênio.

Em virtude dessa estrutura complexa e variável, o carvão mineral apresenta diversos tipos. Seu emprego para fins industriais obedece a uma classificação que toma como base a produção de matéria volátil e a natureza do resíduo. Assim, há carvões que se destinam à produção de gás, de vapor ou de coque, que é um carvão amorfo, resultante da calcinação do carvão mineral, e de largo emprego na siderurgia.

Para combustão em caldeira, são preferíveis o carvão com pequenos teores de cinza e quantidades moderadas de matéria volátil, condições que proporcionam bom rendimento térmico. É preferível que apresente também o mínimo de enxofre e poder calorífico elevado, já que o calor por ele gerado vai ser utilizado diretamente ou transformado em outras formas de energia. Para a produção do coque metalúrgico com propriedades mecânicas para uso em altos fornos, o carvão mineral precisa apresentar propriedades aglomerantes ainda maiores e teores mais baixos de enxofre e cinza. Na destilação do carvão para produção de gás combustível ou coque metalúrgico, obtêm-se também águas amoniacais, das quais se extraem a amônia e o alcatrão.

Muito embora os derivados de petróleo - como a gasolina, o querosene, o óleo combustível e o diesel - e a energia termonuclear tenham deslocado o carvão mineral como fonte de energia, sobretudo para as máquinas móveis, ainda é significativa sua participação no total do consumo energético dos países desenvolvidos - cerca de vinte por cento no final do século XX. A entrada em operação de centenas de usinas hidrelétricas e termonucleares não conseguiu diminuir drasticamente, como se esperava, a participação do carvão, não somente porque essas fontes de energia representam grandes investimentos iniciais e provocam sérios impactos nos meio ambiente, mas também porque a disponibilidade de grandes jazidas de carvão mineral é ainda grande.

3 TECNOLOGIA

Biorrefinaria é uma instalação industrial ou conjunto de instalações onde se

produzem combustíveis, energia, materiais, insumos e variadas moléculas orgânicas

com base na biomassa. As usinas de cana-de-açúcar e as indústrias de celulose e papel

são exemplos de biorrefinarias que já estão em operação. No Brasil, poderemos ter

biorrefinarias à base de carvão vegetal com o aproveitamento total da carboquímica

vegetal. Isso é possível e desejável. Da carbonização ou pirólise de biomassa florestal

resulta o carvão vegetal com rendimentos mássicos da ordem de 25%. No Brasil são

produzidos anualmente cerca de 10 milhões de toneladas de carvão vegetal para uso

principalmente em siderurgia. Energeticamente isso não é pouco, mas deve ser

melhorado com a recuperação e uso de grande parte dos 75% perdidos no processo. A

solução dessa equação requer tecnologia e investimento. Na verdade, o que se precisa

são investimentos para aplicar as tecnologias já desenvolvidas e assim viabilizar todo o

setor de carvão vegetal e de ferro-gusa e aço-verde, uma das melhores formas de fixar

carbono e de gerar empregos e renda.

A floresta energética é grande captadora de CO2 e o uso da mesma para produzir

carvão vegetal é largamente praticado no Brasil. Cerca de 11% do aço brasileiro (cerca

de 4 milhões de toneladas em 2011, segundo o Instituto Aço Brasil) é produzido com

biorredutor, exemplo singular no mundo movido a outro carvão; o carvão mineral,

energético importante, porém altamente poluidor, a mais poluidora de todas as fontes de

energia. Embora o Brasil historicamente use o carvão mineral (carvão vapor) para gerar

energia elétrica, felizmente não é um combustível tão importante como em países

desenvolvidos. O coque de carvão mineral é usado como redutor para o minério de ferro

desde os anos de 1950 com a entrada em produção da Companhia Siderúrgica Nacional

(CSN), antes, usava apenas o carvão vegetal. Devido a questões técnicas não é possível

substituir o coque por biorredutor em altofornos de grande porte como os da CSN, CST

entre outras.

Recuperando-se adequadamente os voláteis dos processos de pirólise da

biomassa florestal obter-se-á o bio-óleo, também conhecido como alcatrão vegetal,

matéria-prima para sínteses orgânicas e fonte de matérias-primas para a química fina. O

país tem tecnologias desenvolvidas para isso e já existem várias empresas usando o bio-

óleo para gerar energia. Outras aplicações como aditivos alimentares, piche isento de

enxofre entre outros produtos também são comerciais. O biorredutor para minério de

ferro é apenas uma das aplicações possíveis para a biomassa siderúrgica brasileira.

A lenha e o carvão vegetal sempre participaram da Matriz Energética Brasileira,

correspondendo, hoje, a cerca de 10% do consumo de energia primária, o que não é

insignificante. A cadeia produtiva do carvão vegetal biorredutor precisa de atenção,

investimentos e estímulo para continuar produzindo o melhor aço.

O caminho para a sustentabilidade do carvão vegetal como biorredutor é a

criação de um fundo financiador da grande transformação tecnológica demandada pelo

setor com a produção de florestas capazes de alimentar a indústria com carvão vegetal

adequado e mitigar a emissão de gases de efeito estufa. Um fundo de desenvolvimento

que capte recursos no mercado de carvão mineral siderúrgico importado e reverta para o

desenvolvimento de tecnologias limpas baseado na siderurgia com o biorredutor. Os

investimentos devem ser aplicados no scale-up de tecnologias inovadoras e em plantas

demonstrativas em parceria com os produtores de ferro-gusa independentes e as

siderúrgicas integradas.

Esse fundo deverá promover toda a cadeia produtiva desde a fase florestal,

passando pela indústria do biorredutor com carboquímica vegetal anexa a siderurgia

com cogeração e a criação de um mercado certificado para o aço verde,

verdadeiramente sustentável e mitigador das emissões. A geração elétrica com gás de

aciaria a carvão vegetal já é uma realidade em várias unidades, além da geração com

alcatrão vegetal. Essas ações levadas de forma conjunta deverão também promover a

criação de conglomerados produtores, associados e cooperativados com densidade de

capital, tecnologia e mercado. Tais medidas significam quebra de paradigma e

mudanças em uma cadeia produtiva milenar que é esquecida e negligenciada em pleno

século XXI. O desenvolvimento da carboquímica vegetal com investimentos fortes e

duradouros ao longo do tempo dará ao país um modelo inovador de biorrefinaria

genuinamente brasileira.

4 – IMAGENS E FLUXOGRAMAS

5 REFERÊNCIAS

Disponível:http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/carvaovegetal3_000g7dup2ob02wx5ok0wtedt3oik6pqb.pdfAcesso em: 18/03/2015

Disponível:http://www.portalsatc.com/site/adm/arquivos/15491/cf0484af4065cffbcf659541523ecac5.pdfAcesso em: 18/03/2015

Disponível:http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/15450/000579513.pdf?...1Acesso em: 18/03/2015

Disponível:http://www.ifba.edu.br/professores/iarasantos/PQ/PROCESSOS%20QU%C3%8DMICOS%20_literaturas/texto%201-%20industria.pdfAcesso em: 18/03/2015

Disponível:http://www.cetem.gov.br/publicacao/CTs/CT200809400.pdfhttp://www.cetem.gov.br/publicacao/CTs/CT2008-094-00.pdfAcesso em: 18/03/2015

Disponível:http://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/85866/1/A-siderurgia-com-biorredutor-e-a-carboquimica-vegetal-Dilcio-2013.pdfAcesso em: 18/03/2015