GRUPO TCHÊ QUÍMICA Carvão Porto Alegre, RS Versão 1.1

Transcrição

1 GRUPO TCHÊ QUÍMICA Carvão Porto Alegre, RS Versão 1.1

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 2

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 3

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 4

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 O 2, H 2 O 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 5

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 CO 2, também combinado com o H (CH 4 ). 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 6

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 7

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 8

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 9

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 10

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 11

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 Objetivos: É a capacidade do combustível sólido em reagir com um agente gasoso. Grupo Tchê Química 12

13 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 13

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, H 2, CH 4 e CO 2, além do N 2. 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 14

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. EROSÃO PRÁTICAS CONSERVACIONAIS DE CONTROLE DE 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 15

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 16

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 17

18 BIBLIOGRAFIA BUNZE, Keinrich Adam Wihelm, A Mineração de Carvão no RS: Estudo histórico-geográfico-sociolingüístico por Keinrich A.Bunze. Porto Alegre: secretaria de Energia, Minas e Comunicação, FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Carvões Minerais do Brasil: Características de Carvões Brutos no RS. Porto Alegre: Centro de Informações sobre Carvão, SCHNEIDER, Engº Arthur Wentz. Contribuição ao Estudo dos Principais Recursos Minerais do RS. Porto Alegre: Companhia Riograndense de Mineração CRM, WARPECHOWSKL, Engº de Minas Neli Iloni da Silva. Caracterização para o Beneficiamento Gravimétrico do Carvão Mineral. Dissertação de Mestrado, Porto Alegre: UFRGS, ZADROZNY, Norberto Ingo. Carvão Geração de Energia, Transporte e Comercialização. Florianópolis: GAPLAN, Grupo Tchê Química 18

19 ANEXOS Figura 3.7 Lavra a céu aberto Figura 3.2 Mina em Túnel Figura 3.3 Mina em Rampa Grupo Tchê Química 19

20 Figura 3.4 Mina em Poço Figura 3.6 Mineração Subterrânea: Long Wall" Grupo Tchê Química 20

21 Diagrama de blocos do beneficiamento de carvão metalúrgico Grupo Tchê Química 21

22 Diagrama de blocos do beneficiamento de carvão energético Grupo Tchê Química 22