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GRUPO TCHÊ QUÍMICA
Carvão
Porto Alegre, RS www.tchequimica.com
Versão 1.1
Grupo Tchê Química 2
ÍNDICE
Introdução 04
Definição de Carvão 05
Propriedades e Características dos Carvões 05
Classificação do Carvão 06
- Carvões Amorfos Naturais 06
- Carvões Amorfos Artificiais 07
Métodos de Mineração 08
- Mineração a Céu aberto 08
- Mineração Subterrânea 08
- Mina em Túnel 08
- Mina em Rampa 09
- Mina em Poço 09
- Mina long wall 09
Beneficiamento do Carvão 09
Beneficiamento de Carvão Energético 10
Caracterização dos Carvões 10
- Análise Imediata de Carvão 11
- Análise Elementar 11
- Poder Calorífico Superior e Inferior 11
- Carbonatos 12
- Dilatometria 12
- Pirólise 12
Grupo Tchê Química 3
- Reatividade 12
- Poder Refletor 13
- Carvão de Lavabilidade 13
- Fusibilidade das Cinzas 13
- Análise Química das Cinzas 13
Emprego do Carvão 14
- Carvão Energético 14
- Carvão Siderúrgico 14
- Combustão Direta 14
- Gaseificação 14
- Carboquímica 15
- Liquefação 15
Aspectos Ambientais 15
- Práticas Conservacionais de Controle de Erosão
- Correção e Fertilidade do Solo 16
- Controle da Qualidade das Águas 16
- Controle do Ar 16
Conclusão 17
Bibliografia 18
Anexos 19
Grupo Tchê Química 4
INTRODUÇÃO
A realidade energética nos obriga a viabilizar fontes alternativas de energia que
possam suprir, de modo contínuo, as necessidades do desenvolvimento econômico. O
desenvolvimento da tecnologia nuclear, a descoberta de novos campos de petróleo e gás
natural e, ainda, a utilização de fontes alternativas de energia como, por exemplo, a energia
solar, eólica, térmica, resíduos biológicos, etc. tem contribuído consideravelmente no
incremento de nossos recursos energéticos. Entretanto, pesquisas conduzidas por
instituições especializadas em diversos países mostram que o carvão mineral apresenta-se
como alternativa energética fundamental para uso em larga escala industrial.
As principais reservas de carvão mineral estão localizadas na região sul do país,
notadamente nos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Os depósitos de carvão
conhecidos são estimados em 15 bilhões de toneladas de minérios. Apesar do setor mineral
do carvão ter experimentado um crescimento na década de 80, ainda não conseguiu
alcançar uma produção que justifique sua potencialidade. Justamente entre o que é
produzido e o que pode ser explorado é que está o principal problema a ser equacionado no
que diz respeito ao aproveitamento deste bem mineral gaúcho. O carvão é hoje fonte
marginal de energia e tem no uso termelétrico potencialidade extraordinária, fazendo com
que praticamente toda a sua produção se destine para este setor que faz uso como
combustível.
Este trabalho visa complementação de conhecimento do carvão mineral
nacional, bem como seu beneficiamento e aproveitamento, onde foi realizada uma
abordagem oportuna.
Grupo Tchê Química 5
DEFINIÇÃO DO CARVÃO
Carvão pode ser definido, sucintamente, como uma rocha sedimentar
combustível constituída de determinados vegetais, bem como de tecidos lenhosos, celulose,
esporos, resinas, ceras, algas, betumes, hidrocarbonetos, etc., ou seja, de material
heterogêneo que sofreu soterramento e compactação em bacias originalmente pouco
profundas. Fatores como a pressão, a temperatura, a tectônica (agentes diferenciadores do
carvão) e o seu tempo de atuação, determinaram a carbonificação gradativa da matéria
original, que sofreu modificações significativas como a perda de O2, H2O e enriquecimento
em carbono.
PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS CARVÕES O carvão mineral é uma rocha sedimentar combustível formada a partir de
detritos vegetais que sofreram soterramento e compactação em bacias originalmente pouco
profundas. Houve a carbonificação gradativa na matéria vegetal original ocasionada por
fatores como a pressão, temperatura e o tempo de atuação.
A aparência lamelar do carvão deve-se aos seus constituintes individuais,
microscópicos elementares conhecidos como macerais e classificados em três grupos:
• Vitrinista
• Axinita
• Enertinita
Microscopicamente, eles podem ser distinguidos um pela sua aparência, cor,
relevo, grau de refletância e composição química. Macroscopicamente, encontram – se o
vitrênio – que compõe leitos finos na camada de carvão, parte lisa e brilhante -, o duênio –
tem aspecto opaco e superfície rugosa – e o fusênio, que é fosco e fibroso, sendo o único
litulito que suja ao contato.
Além dos minerais, o carvão é constituído por matéria mineral, isto é, minerais
de argila, carbonatos, sulfatos, quartzo dentre outros. Estes minerais foram agregados
durante a fase inicial de formação do carvão e encontram-se disseminados na matéria
carbonosa.
Grupo Tchê Química 6
CLASSIFICAÇÃO DO CARVÃO
• Carvões Amorfos Naturais
Procedem da putrefação de vegetais que, sob camadas de sedimento e fora do
contato com o ar, elimina parte de seu C, já em combinação com o CO2, também
combinado com o H (CH4).
A) CARVÃO ANTRACITA
É o carão natural mais antigo, que contém maior proporção de carbono (94%) e
um poder calorífico de até 8700 calorias. É empregado como combustível e como redutor
dos minérios de ferro nos altos-fornos e, ainda, na calefação de habitações.
B) HULHAS OU CARVÃO DE PEDRA
Constitui a porção mais importante dos combustíveis industriais pela sua
abundância e propriedades. Contém de 75% a 90% de carbono e, ao queimar, desprende em
torno de 8000 calorias. Extrai-se dela, por destilação seca, um grande número de produtos
como, por exemplo, o coque, o gás de iluminação, amônia, breu e o alcatrão mineral, que é
a matéria-prima do benzeno, naftaleno e anilina. Há duas variedades de Hulha, isto é, as
ricas em materiais betuminosos e as que possuem pequena quantidade de betumes.
C) LINHITO
É o carvão mineral que possui menor quantidade de carbono em relação à Hulha
(70%) e com um menor poder calorífico (5000 calorias). É de estrutura compacta e se
emprega como combustível e, por destilação seca, origina parafina, gás de iluminação e
amônia. O linhito é abundante nos EUA, Alemanha, Áustria, Itália e Espanha.
Grupo Tchê Química 7
D) TURFA
Carvão mineral com menos carbono (55%) e, em conseqüência disso, tem um
poder calorífico de 3500 calorias. É constituído de resto de plantas (completamente
carbonizadas) que costumas ser musgos de estrutura esponjosa. Serve como combustível
industrial de escasso valor.
• Carvões Amorfos Artificiais
São os produtos resultantes da combustão ou calcinação de diversas substâncias
orgânicas. Os principais destes carvões são:
A) CARVÃO VEGETAL
Origina-se da madeira; é um carvão muito leve, porém com um calor gerado na
combustão de 8000 calorias. Uma de suas propriedades mais notáveis é a de absorver gases,
o que se efetiva com o desprendimento de calor.
B) CARVÃO NEGRO DE FUMO
É um carvão leve, muito pulverizado, que é obtido pela combustão incompleta
de vários compostos orgânicos como resinas, alcatrão e, principalmente, acetileno.
Emprega-se em pintura e preparo de tintas.
C) CARVÃO DE COQUE
É um carvão de grande poder calorífico (8000 calorias). Trata-se de um carvão
poroso e cinzento. A Hulha se coquifica a fim de aumentar sua riqueza em carbono e
eliminar princípios de cheiro desagradável ou que corroam os metais das fornalhas, como
os gases sulfurosos.
Grupo Tchê Química 8
D) CARVÃO METÁLICO
Também chamado de carvão de retorta, é bom condutor de calor e recebe este
nome (carvão metálico) devido ao seu aspecto metálico de cor preta. É empregado como
pólo positivo das pilhas de buns sem, grenet, leclanchê e também como combustível.
MÉTODOS DE MINERAÇÃO
As jazidas de carvão são exploradas conforme: a situação das camadas,
espessura da camada acima do carvão, tipos de rocha nesta cobertura, característica do
carvão, ésteres intercalados, presença do gás metano, resistência estrutural do carvão,
quantidade de águas encontrada na camada e natureza e resistência do teto e do piso da
camada total do carvão.
Os diferentes métodos de mineração conforme anexos – Figura 3.2; 3.3; 3.4;
3.6; 3.7;
MINERAÇÃO A CÉU ABERTO
MINERAÇÃO SUBTERRÂNEA
MINA EM TÚNEL
A camada do carvão horizontal, ou próxima, atinge a superfície de uma elevação
e meia costa. Este tipo é, geralmente, o mais fácil e mais barato de instalar, uma vez que
não é necessário escavação da rocha.
Grupo Tchê Química 9
MINA EM RAMPA
A camada de carvão é atingida através de uma rampa no material de cobertura.
O transporte deste carvão pode ser feito por tração elétrica, caso a inclinação não seja
acentuada, ou através de cabos de aço.
MINA EM POÇO
A ligação da superfície com a camada é feita de uma abertura vertical; é usada
quando a camada é profunda.
MINA LONG WALL
A área de mineração é dividida em painéis retangulares a partir de uma galeria
central. Essa galeria, juntamente com as auxiliares, toma a forma de uma espinha de peixe.
As dimensões deste painel variam de 80 a 300m de largura por 800 a 2000m de
comprimento. Tal processo permite retirar da jazida todo o carvão mineral.
RESERVAS BRASILEIRAS (EM ANEXO)
BENEFICIAMENTO DO CARVÃO
As características dificultam o processo de beneficiamento, principalmente na
obtenção da fração metalúrgica. Um exemplo de fluxograma de “beneficiamento de carvão
metalúrgico” é mostrado no diagrama anexo.
As principais etapas deste processo são as seguintes:
• Britagem em dois estágios no minério maior que 25nm em britadores de
mandíbulas, cônicos ou de rolos;
• Deslavagem no minério para descartar a fração abaixo de 28 malhas;
Grupo Tchê Química 10
• Lavagem da fração grossa em jigues, obtendo-se 3 produtos;
• Desaguamento do carvão pré-lavado em peneiras fixas e horizontais
vibratórios;
• Desaguamento dos rejeitos piritosos e vistosos;
• Classificação hidráulica e espessamento em hidrociclones de fração final;
• Concentração dos finos em células de flotação;
• Desaguamento dos rejeitos finos em hidrociclones e peneiras horizontais;
• Desaguamento dos concentrados finos em filtros de risco à vácuo;
• Clarificação da água no processo em decantadores de lamelas;
• Decantação dos resíduos finos em bacias;
BENEFICIAMENTO DE CARVÃO ENERGÉTICO
• Britagem em dois estágios do rom maior que 50nm;
• Deslavagem do minério;
• Lavagem da fração grossa em jigues, obtendo-se 3 produtos;
• Desaguamento do carvão vapor primário em peneiras desaguadoras;
• Desaguamento do carvão secundário;
• Desaguamento dos rejeitos;
• Lavagem da fração fina em dois estágios de ciclones autógenos;
• Desaguamento dos rejeitos dos ciclones em peneiras horizontais;
• Espessamento e desaguamento do carvão fino;
• Clarificação da água de processo em decantadores de lamelas;
• Decantação dos resíduos finos em bacias;
CARACTERIZAÇÃO DOS CARVÕES
As amostras globais que apresentam características médias nos carvões, são
analisadas de forma ampla, visando fornecer elementos a diversos estudos e aplicações no
Grupo Tchê Química 11
carvão. A seguir, apresenta-se um pequeno resumo dos métodos, anotando a caracterização
das amostras e os objetivos a que seus resultados se destinam.
ANÁLISE IMEDIATA DE CARVÃO
A análise imediata compreende a determinação da umidade, cinzas, matérias
voláteis e carbono fixo. Objetivos:
• Fornecer parâmetros para classificação dos carvões;
• Relação entre material combustível e incoma;
• Fornecer bases para a comercialização;
• Avaliar o beneficiamento;
• Indicar o rendimento em coque e em voláteis na carbonização;
• Indicar o comportamento do carvão numa fornalha;
• Calcular os resultados das análises em base seca ou como recebida;
ANÁLISE ELEMENTAR
Determinação de carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre. Objetivos:
• Fornecer parâmetros para classificação do carvão;
• Fornecer dados (teor de hidrogênio) para o cálculo do poder calorífico
inferior;
• Fornecer dados sobre a composição do carvão;
• Ser um dos fatores determinantes da composição do gás produzido;
PODER CALORÍFICO SUPERIOR E INFERIOR
É determinado pela queima da amostra numa bomba calorimétrica isotérmica,
em atmosfera de oxigênio, sob condições controladas. Objetivos:
• Fornecer elementos às indústria que utilizam o carvão como combustível;
• Fornecer parâmetros para a comercialização dos carvões;
Grupo Tchê Química 12
• Determinar o calor gerado na combustão do carvão;
• Fornecer parâmetros para a classificação dos carvões;
CARBONATOS
Objetivos:
• Estimar o teor de matéria mineral que possui elevadas quantidades de
carbonatos;
• Correção no teor de carbono determinada pela análise elementar, nos casos
em que se exige grande precisão;
DILATOMETRIA
Objetivos:
• Informar o comportamento no carvão quando aquecido lentamente;
• Fornecer dados para o dimensionamento de cargas em câmaras de
coqueificação;
• Indicar as características do coque formado;
PIRÓLISE
É a decomposição da amostra quando aquecida gradativamente até 500ºC, em
ausência de ar, produzindo alcatrão, gases e resíduo de coque. Objetivo:
• Determinar os rendimentos em resíduo de coque, alcatrão, água e gás.
REATIVIDADE
É a capacidade do combustível sólido em reagir com um agente gasoso.
Objetivos:
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• Obter informações sobre a tendência do carvão em reagir com agentes
gasosos;
• Fator determinante da temperatura de gaseificação e grau de gaseificação do
carbono;
PODER REFLETOR
Objetivos:
• Pesquisa científica e industrial;
• Classificação do carvão;
• Determinação do grau de carbonização;
• Estudo na composição de misturas coqueificantes;
CARVÃO DE LAVABILIDADE
Separa-se o carvão em um certo número de faixas densimétricas. Objetivos:
• Identificar as características de beneficiamento dos carvões;
• Fornecer dados para projeto de instalação de beneficiamento;
FUSIBILIDADE DAS CINZAS
Objetivo:
• Avaliar a temperatura de amolecimento, fusão e liquidez com vista à
aplicação dos carvões na combustão e na gaseificação.
ANÁLISE QUÍMICA DAS CINZAS
Na determinação de óxido de alumínio, óxido férrico, dióxido de titânio, dióxido
de manganês, pentóxido de fósforo, óxido de sódio e magnésio, dióxido de silício, trióxido
de enxofre, perda ao fogo. Objetivos:
Grupo Tchê Química 14
• Prevê comportamento das cinzas em diversas aplicações do carvão;
• Aproveitamento das cinzas de carvão;
EMPREGO DO CARVÃO
CARVÃO ENERGÉTICO
É um carvão com teores de cinza maior que o carvão pré-lavado e tem sua
utilização na indústria siderúrgica, indústria de alimentos, setor do papel e celulose,
fabricação de cimento e energia elétrica.
CARVÃO SIDERÚRGICO
Chamado de carvão metalúrgico, resulta do processo de beneficiamento do
carvão pré-lavado e destinado a fabricação do coque, que é usado na siderurgia.
COMBUSTÃO DIRETA
Forma mais barata, eficiente e tradicional na utilização do carvão como energia.
Sua queima se dá em fornalha, caldeiras e fornos.
GASEIFICAÇÃO
O gás de carvão consiste numa mistura de gases cuja proporção depende do
processo e no tipo de agente gaseificante adotado. Seus componentes principais são: CO,
H2, CH4 e CO2, além do N2. Quando for usado ar como agente gaseificante. Os gases
resultantes são utilizados como combustível domiciliar, industrial, redutor siderúrgico e
como matéria-prima para síntese de amônia, de metanol, hidrocarbonetos gasosos e
líquidos.
Grupo Tchê Química 15
CARBOQUÍMICA
Aproveita-se o gás gerado na gaseificação do carvão para obter produtos
primários como amônia, alcatrão bruto e benzóis brutos, que sofrerão desdobramentos
posteriores, a fim de se obter produtos secundários com uso na indústria.
LIQUEFAÇÃO
Obtenção de líquidos orgânicos a partir da matéria carbonosa do carvão, que são
os aldeídos, cetonas, álcoois, que poderão ser usados como combustíveis e matéria-prima
na indústria química.
ASPECTOS AMBIENTAIS
É incontestável que qualquer atividade industrial provoca uma alteração no
ambiente que a envolve. A atividade mineira leva consigo o estigma de ser um ramo da
indústria geradora de níveis elevados de poluição. No entanto, com o planejamento racional
das operações unitárias de produção, voltado para a mineração dos impactos ao meio
ambiente, torna-se possível que se opere uma unidade mineira dentro de uma faixa bastante
aceitável de distúrbio ambiental. Trabalhos de recuperação das áreas mineradas, depósitos
antigos de carvão, controle na qualidade das águas de mina e no processo e controle na
emissão na emissão de poeira, visando compatibilizar os impactos causados pela atividade
mineira.
PRÁTICAS CONSERVACIONAIS DE CONTROLE DE
EROSÃO
A reconstituição da topografia mais indicada é aquela que deixa as áreas com
declividade menor possível. São construídos terraços com objetivo de interceptar e reduzir
a velocidade das águas provenientes de chuvas e que escorrem na superfície do solo.
Grupo Tchê Química 16
CORREÇÃO E FERTILIDADE DO SOLO
Os teores de matéria orgânica e nutrientes e, ainda, os níveis de pH são
avaliados através de análise do solo. Verificou-se, todavia, que houve, de maneira geral, as
seguintes modificações:
• Elevação da acidez;
• Elevação de alumínio;
• Aumento dos teores de potássio;
• Aumento dos teores de enxofre;
• Diminuição acentuada dos teores de fósforo;
A correção de acidez e nutrientes se dá através de adubos, como o nitrogênio,
fósforo e potássio, conforme as necessidades de cada espécie vegetal.
CONTROLE DA QUALIDADE DAS ÁGUAS
A atividade extrativa entra em contato com as águas tanto superficiais, como
subterrâneas. O controle da qualidade desta água visa manter as características dos
mananciais hídricos inseridos dentro da área em lauda que circundam a mesma. Isto é
realizado através de medidas preventivas ou em unidades de tratamento. Em ambos os
casos com acompanhamento dos parâmetros de qualidade obtidos de ensaios laboratoriais
em amostras coletadas.
CONTROLE DO AR
Como medida preventiva contra a emissão de partículas, anota-se a aspersão de
água sobra as estradas das minas. A eficiência dos resultados é acompanhada através do
monitoramento, empregando equipamento denominado Hi-vol. Existe uma estação de
medição localizada na mina de Butiá-leste e outra na cidade de Butiá. É feita amostragem
Grupo Tchê Química 17
cada seis dias durante 24 horas consecutivas. Os dados coletados não apresentam
incrementos ou desvios significativos.
CONCLUSÃO
O Brasil tem restringido o uso do carvão à geração de
termoeletricidade, produção de coque, misturas com carvão importados e a
redução do minério de ferro. Um grande esforço está sendo desenvolvido para
incrementar a sua utilização, em substituição ao óleo combustível, como
matéria-prima carboquímica, quais sejam a gaseificação e a liquefação. O
aumento da produção e do consumo depende, dentre outros fatores, de
decisões governamentais como a isenção na importação de equipamentos,
preço compatível para carvão e compatibilidade entre a atividade mineira e o controle
ambiental.
Grupo Tchê Química 18
BIBLIOGRAFIA
BUNZE, Keinrich Adam Wihelm, 1911. A Mineração de Carvão no RS:
Estudo histórico-geográfico-sociolingüístico por Keinrich A.Bunze. Porto
Alegre: secretaria de Energia, Minas e Comunicação, 1984.
FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Carvões Minerais do Brasil:
Características de Carvões Brutos no RS. Porto Alegre: Centro de
Informações sobre Carvão, 1980.
SCHNEIDER, Engº Arthur Wentz. Contribuição ao Estudo dos Principais
Recursos Minerais do RS. Porto Alegre: Companhia Riograndense de
Mineração – CRM, 1978.
WARPECHOWSKL, Engº de Minas Neli Iloni da Silva. Caracterização para
o Beneficiamento Gravimétrico do Carvão Mineral. Dissertação de
Mestrado, Porto Alegre: UFRGS, 1992.
ZADROZNY, Norberto Ingo. Carvão – Geração de Energia, Transporte e
Comercialização. Florianópolis: GAPLAN, 1980.
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ANEXOS
Figura 3.7 – Lavra a céu aberto
Figura 3.2 – Mina em Túnel
Figura 3.3 – Mina em Rampa
Grupo Tchê Química 20
Figura 3.4 – Mina em Poço
Figura 3.6 – Mineração Subterrânea: “Long Wall"
Grupo Tchê Química 21
Diagrama de blocos do beneficiamento de carvão metalúrgico
Grupo Tchê Química 22
Diagrama de blocos do beneficiamento de carvão energético