Kalkreuth W.¹, Lunkes K. M.¹, Oliveira J.¹, Hidalgo G.², Ghiggi M. L.², Osório E.², Souza K.³, Sampaio C.³

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1 Camadas Inferiores e Superiores da Jazida de Candiota, RS Caraterização Geológica, Petrológica, Química e Ensaios de Reatividade e Beneficiamento Visando a Geração de Energia Elétrica Kalkreuth W.¹, Lunkes K. M.¹, Oliveira J.¹, Hidalgo G.², Ghiggi M. L.², Osório E.², Souza K.³, Sampaio C.³ ¹Laboratório de Análise de Carvão e Rochas Geradoras de Petróleo Inst. de Geociências, UFRGS, ²Laboratório de Siderurgia Centro de Tecnologia, UFRGS, ³Laboratório de Processamento Mineral Centro de Tecnologia, UFRGS RESUMO Na jazida de Candiota, RS, Brasil, as camadas Candiota Superior e Inferior são utilizadas para a geração de energia elétrica. O presente estudo caracteriza as outras camadas do depósito, que incluem as camadas superiores (S1-S9), a camada BL e as camadas inferiores (I1-I5), ainda não caracterizadas para o uso termelétrico. Para o andamento do estudo, foram utilizadas amostras de carvão de oito furos de sondagem realizados pela CRM em Foram identificadas 95 camadas de carvão nos oito furos com espessuras variando entre 0,08-1,52 m. Análise Estratigráfica. Quatro principais ambientes deposicionais foram identificados: leque aluvial, sistema fluvial, laguna barreira e marinho raso com o desenvolvimento das camadas de carvão ocorrendo no trato de sistemas transgressivo, trato de sistemas de nível alto e trato de sistemas de nível baixo. Análises Petrográficas e Químicas. As análises petrológicas revelaram que o maceral com maior abundância é a vitrinita, seguido pela inertinita e liptinita. O valor médio da reflectância da vitrinita (Rrandom%) indicou um valor de 0,41Rr(%), correspondendo a um rank sub-betuminoso. O teor médio das cinzas ficou em 50% em peso. A matéria volátil apresentou resultados que variam entre 31,7-63,4% (d.a.f). A análise elementar revelou resultados de carbono (% em peso) variando entre 12,3-47,3%, hidrogênio variando entre 1,9-4,8%, nitrogênio variando entre 0,25-1,05% e enxofre variando entre 0,32-9,8%. O poder calorífico recalculado em uma base seca e livre de cinzas varia entre cal/g. Baseado na análise de difratometria de raios x, os minerais mais abundantes no carvão são quartzo, caolinita, ilita e k-feldspato. Análise de Reatividade. A análise termogravimétrica aplicada a 14 amostras mostrou que existem diferenças de combustibilidade entre algumas camadas do furo 364, sendo as maiores diferenças encontradas entre as camadas S8 e BL. Já a camada I2 apresentou praticamente a mesma combustibilidade nos furos 364,369,371 e 372. Ensaios de beneficiamento. A partir dos ensaios de afunda-flutua e análises imediata e elementares, foram elaboradas as curvas de lavabilidade para todas as camadas superiores e inferiores (> 20 cm espessura). Essas curvas foram plotadas nas faixas granulométricas -25,4 +2,0 mm e -2,0 +0,1 mm, tanto para o teor de cinzas como para o teor de enxofre total. Tais curvas forneceram informações determinantes para um possível beneficiamento gravimétrico para ambas as faixa granulométricas. No entanto, o desempenho de tal beneficiamento dependerá principalmente do valor de NGM e do corte densimétrico de cada camada, que são os principais parâmetros analisados. Além disso, tal estudo mostra altas recuperações mássicas teóricas dessas camadas nas faixas granulométricas determinadas e com baixos valores de enxofre total em qualquer corte densimétrico. No entanto, para isso, as frações mais densas não seriam consideradas. Conclusão. Os resultados de análises químicas, petrológicas e ensaios de reatividade e beneficiamento mostram que as camadas não mineradas de Jazida de candiota apresentam potencial para o uso energético. Palavras chave: combustão, Candiota, camadas inferiores, Banco Louco, camadas superiores. 1. INTRODUÇÃO No Brasil, as principais jazidas carboníferas estão situadas na Bacia do Paraná, englobando os estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. As reservas medidas no Bacia do Paraná representam aproximadamente 32 bilhões de toneladas, sendo que 89% destas localizam-se no estado do Rio Grande do Sul. 1

2 A jazida de carvão de Candiota (figura1) localiza-se na Depressão Periférica, uma faixa aflorante de rochas sedimentares da Bacia do Paraná no estado do Rio Grande do Sul, com ocorrências de carvão na Formação Rio Bonito, sendo-lhe atribuída a idade de Permiano Inferior. A jazida de Candiota é o maior depósito de carvão do país com reserva medida em 1.7 bilhões de toneladas (Informativo Anual da Indústria Carbonífera, 2000). Junto a mina de Candiota localiza-se a usina termoelétrica Presidente Médici com capacidade de 446MW. Já foi aprovada a construção da fase C da Usina que terá capacidade de 350MW. Para disponibilização de uma maior oferta de carvão para estes e outros projetos termoelétricos é necessário um conhecimento de todas as camadas de carvão que constituem a jazida. Atualmente são exploradas duas camadas de carvão, com aproximadamente 2 m de espessura, intercalados por uma camada de argilito de 61 cm, os quais são denominados de Camada Candiota Superior e Camada Candiota Inferior. Estas camadas são mineradas pela CRM, firma estatal detentora dos diretos de lavra da jazida. As outras camadas do depósito, S1-S9, Banco Louco (BL) e I1-I5, não exploradas, ainda não foram completamente caracterizadas para o uso termoelétrico. Estudos preliminares destas camadas acerca das propriedades químicas e petrológicas foram realizados por Holz & Kalkreuth (2004) e Kalkreuth et al. (2006). O principal objetivo deste estudo é a realização de um estudo integrado abrangendo os aspectos geológicos, determinação das propriedades químicas e petrográficas das camadas, ensaios de reatividade (combustão) e ensaios de beneficiamento das camadas superiores e inferiores da jazida de Candiota, visando avaliar o seu potencial para a geração de energia elétrica. O estudo contempla as seguintes etapas: Figura 1. Posicionamento dos furos de sondagem utilizados neste estudo. Fonte: Silva & Kalkreuth (2005), modificado. 2

3 2. AMOSTRAGEM E METODOLOGIA 2.1 Amostragem Para o andamento do estudo, foram utilizadas amostras de carvão de oito furos de sondagem de diâmetro de 3 realizados pela CRM em 2008 distantes aproximadamente 1km um do outro (figura 1). Foram identificadas 95 camadas de carvão nestes oito furos com espessuras variando entre 0,08-1,52m entre profundidades de 4 a 69 m. Após a coleta dos testemunhos, as camadas de carvão foram separadas e preparadas para posteriores análises químicas, petrológicas, testes de combustão e ensaios de beneficiamento. 2.2 Análise estratigráfica Após a análise sedimentológica e faciológica dos testemunhos de 8 sondagem, estabeleceu-se uma tabela de fácies. Em seguida, estas foram agrupadas em associações de fácies, as quais foram agrupadas em ambientes de sedimentação (Tabela 1). Os conceitos da estratigrafia de seqüências segundo Wilgus et al.,(1988) foram utilizados neste trabalho. As superfícies cronoestratigráficas são visíveis na seção dip da área de estudo (Fig. 2). 2.3 Análises petrológicas e químicas de carvão O rank das camadas de carvão foi estabelecido pelas medidas aleatórias da reflectância da vitrinita seguindo procedimentos padrões (ISO 7404/5, 1994). A composição petrográfica das camadas foi determinada pela análise dos macerais usando a norma ISO 7404/3, A identificação dos macerais foi realizada conforme ICCP (1963,1998,2001). As análises químicas incluíram análise imediata para determinação dos teores de umidade, cinzas e matéria volátil seguindo as normas ASTM D 3173, D 3174 e D A análise elementar para determinação de carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre seguiu o procedimento analítico descrito na norma ASTM D O poder calorífico expresso em cal/g seguiu a norma ASTM D Metodologia dos Testes de combustão por TGA Os testes de reatividade foram realizados em subamostras dos testemunhos de sondagem das camadas S3, S4, S5, S6, S7, S8, BL, I1, I2, I3, I4 do furo 364 e da camada I2 dos furos 369, 371 e 372 para obter o perfil vertical e horizontal da área em estudo. As subamostras de carvão recebidas foram cominuídas conforme a norma ASTM D até -0,25mm. Para a análise termogravimétrica, fez-se o quarteamento e a homogeneização da amostras até a obtenção de uma massa de 10g. Essa massa de amostra foi moída em gral de ágata até uma granulometria de -75µm e homogeneizada. Os testes de combustão não-isotérmicos foram executados numa termobalança Netzsch STA409C, em amostras de 30mg, espalhadas num cadinho prato de diâmetro de 17mm. As condições dos testes foram: intervalo de temperatura de 30 até 1000 C, vazão de ar de 50ml/min, taxa de aquecimento de 25 C/min, com patamar de 5 minutos em 110 C para medida da perda de umidade. Os testes foram realizados em duas vias para uma repetibilidade de +5 C e em mais vias para amostras que não apresentaram tal condição. A partir do perfil de combustão (curva DTG x T) das amostras, foram determinadas a reatividade em ar em cada ponto, conforme a equação da taxa, e as temperaturas características (Figura 2) que são descritas a seguir (Alonso, 2001): R 1 m 0 dm dt 3

4 Equação da taxa, onde R é a reatividade ao ar em min -1, e m 0 é a massa inicial em mg, ambas em base seca e isentas de cinzas; Ti = temperatura inicial de queima, correspondente a 20%de Rmáx [ C]; Tp = temperatura de pico, correspondente à Rmáx [ C]; Tf = temperatura de final de queima [ C], extrapolada a partir da inclinação do perfil de combustão; Rmáx = Taxa máxima de reação, em base seca e isenta de cinzas [min -1 ]. Figura 2. Reatividade ao ar em função da temperatura 2.5 Preparação e caracterização das amostras para ensaios de beneficiamento Inicialmente, as amostras de carvão foram britadas para a obtenção de um top size de 25,4 mm. Após a britagem, elas foram quarteadas visando sua adequada homogeneização e consequentemente, caracterização e comparação Análise densimétrica Para a análise densimétrica das amostras, foram realizados os ensaios de afundaflutua. Para isto foram definidas duas faixas granulométricas: uma para amostras passantes em 25,4 mm e retidas em 2,0 mm (-25,4 +2,0 mm), considerando-se a faixa de partículas grosseiras (denominada de faixa A), e outra para amostras passantes em 2,0 mm e retidas em 0,1 mm (-2,0 +0,1 mm), considerando-se a faixa de partículas finas (denominada de faixa B). As amostras abaixo de 0,1 mm foram desconsideras por serem partículas muito finas. Para a realização dos ensaios foram utilizadas misturas de líquidos orgânicos tais como: Benzeno (C 6 H g/cm³), Tetracloroetileno (C 2 Cl g/cm³) e Bromofórmio (CHBr g/cm³), nos intervalos densimétricos de 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,2 e 2,4 g/cm³ Análise imediata e elementar Para cada fração densimétrica, tanto na faixa granulométrica -25,4 +2,0 mm como na - 2,0 +0,1 mm, foram realizados ensaios de análise imediata em base seca (NBR 8289, 8290, 8293, 8299) e análise elementar utilizando-se o equipamento da marca Vario Macro, conforme a norma ASTM D5373/ Curvas de lavabilidade As curvas de lavabilidade de Henry-Reinhardt tais como: curva dos flutuados, curva dos afundados, curva densimétrica e curva NGM foram elaboradas para as amostras resultantes dos ensaios de afunda-flutua (Sampaio e Tavares, 2005). Tais curvas foram 4

5 plotadas tanto em função do teor de cinzas como em função do teor de enxofre total para as duas faixas granulométricas determinadas (A e B). A partir dessas curvas, foi gerada uma curva média, para uma melhor visualização e interpretação dos parâmetros de recuperação teórica em cada faixa densimétrica, além do teor e densidade de corte e separabilidade do carvão. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Análise estratigráfica Neste estudo foram reconhecidas e interpretadas nove fácies sedimentares através da descrição detalhada de testemunhos de oito furos de sondagens. Após a caracterização de cada fácies e interpretação dos seus processos geradores, foi possível a agrupá-las em associações com relações genéticas. Dessa forma foram possíveis o reconhecimento e entendimento espacial acerca dos sistemas deposicionais envolvidos e dos subsistemas e também da acumulação das turfeiras percurssoras das camadas da jazida de Candiota. A Tabela 1 apresenta as fácies pertencentes a cada associação, bem como as associações estabelecidas, os sistemas deposicionais e sub-sistemas reconhecidos. Também relaciona os ambientes e as subseqüentes camadas de carvão formadas. Tabela I: Fácies que compõem as associações de fácies, os sub-sistemas e sistemas deposicionais nos furos de sondagem estudados na região de Candiota, modificado de Oliveira and Kalkreuth (2010) Associação de Sistema Geometria das Fácies Sub-sistema fácies Deposicional camadas Conglomerado suportado pela matriz (Gm), Diamictito (D) Arenito com estratificação cruzada acanalada ou planar (St) Diamictito (D), Siltito Linsen(Ml), Siltitos, siltitos carbonosos e carvão (CC) Siltitos, siltitos carbonosos e carvão (CC), Siltito Linsen(Ml) Arenito com estratificação cruzada acanalada ou planar (St) Arenito com estratificação cruzada de baixo ângulo (swash cross stratification) (Ss) A Leques Aluviais Aluvial - B C D Canal Planície de Inundação Laguna Fluvial Barreira Laguna - Delgadas e descontínuas. Incluem as camadas inferiores Espessas e contínuas. Incluem as camadas superiores, BL, CCS e CCI E Barreira Litorânea - F Foreshore Arenito com acamadamento flaser (Sf) G Superior Marinho Raso - dominado por Arenito com acamadamento wavy (Sw) H Shoreface Médio ondas - - Siltito Linsen(Ml), Siltito linsen com climbing ripples (Ms) I Inferior - 5

6 O arcabouço cronoestratigráfico proposto para a àrea de estudo na região de Candiota foi estabelecido através da correlação entre as associações de fácies e dos sistemas deposicionais em uma seção no sentido dip (Fig. 3), utilizou-se os conceitos da Estratigrafia de Seqüências (Wilgus et al.,1988) como ferramenta de análise estratigráfica. Foram reconhecidas as principais superfícies estratigráficas limítrofes: Limite de Seqüência (LS), Superfície Transgressiva (ST) e a Superfície de Inundação Máxima (SIM). Os Tratos de Sistemas foram a partir daí definidos e identificados: Trato de Sistemas de Nível Baixo (TSNB), Trato de Sistemas de Transgressivo (TST), Trato de Sistemas de Nível Alto (TSNA). Foram identificados 6 parassequências no intervalo estudado (Fig. 3). Figura 3: Seção de correlação estratigráfica Dip NW-SE. Arcabouço estratigráfico das Sequências deposicionais 2 e 3 da região de Candiota, nos furos de sondagem utilizados neste estudo. As camadas inferiores 1 a 5 ocorrem na PS1; as camadas CCI, CCS, BL ocorrem na PS2; as camadas superiores S3-S9 ocorrem na PS3 PS5. A= tamanho de grão argila, St= tamanho de grão siltito, Af= tamanho de grão areia fina, Am= tamanho de grão areia média, Ag= tamanho de grão areia grossa, Cg= tamanho de grão conglomerado. Conglomerado suportado pela matriz (Gm), Diamictito (D) Arenito com estratificação cruzada acanalada ou planar (St) Siltito Linsen(Ml), Siltitos, siltitos carbonosos e carvão (CC) Arenito com estratificação cruzada de baixo ângulo (swash cross stratification)(ss) Arenito com acamadamento flaser (Sf) Arenito com acamadamento wavy (Sw) Siltito linsen com climbing ripples (Ms). Modificado de Oliveira and Kalkreuth (2010) 6

7 3.2 Análises petrográficas e químicas Os resultados na análise petrológica (Figura 4 A e B) mostraram que, em geral, as camadas apresentaram altos conteúdos de vitrinita, seguido de inertinita e liptinita, enquanto as camadas S8, S9 e Banco Louco mostraram mais altos conteúdos de inertinita (Figura 4A), principalmente na forma de fusinita e semifusinita. As medidas de reflectância da vitrinita indicaram para as camadas superiores e inferiores valores médios entre 0,38 % e 0,47 % Rrandom. A análise química revelou que todas as amostras tiveram resultados do teor de cinzas típicos dos carvões da Bacia do Paraná, idade Permiana, variando entre 38,7 até 55,2 % em peso (Tabela II). Os valores de umidade variam entre 3,7 % e 11,1 %. Matéria volátil variou entre 13,5 % e 29,5%. Na análise elementar, o teor de enxofre mostrou valores relativamente baixos comparados a outros carvões nacionais, com teores médios de 1,89 % e uma variação entre 0,41 % e 8,08 % (Tabela II). O poder calorífico obteve resultados variando entre 841 e 3727 cal/g, com valor médio de 2538 cal/g. Os resultados da difração de raios x mostram abundância de quartzo, caolinita, ilita e feldspato alcalino nas camadas superiores, banco louco e nas camadas inferiores. Figura 4. Diagramas ternários mostrando A) a composição petrográfica dos grupos de macerais nas camadas superiores e Banco Louco; B) a composição petrográfica dos grupos de macerais nas camadas inferiores. Os valores representados mostram valores médios das camadas. S2-S9= camadas superiores; BL=camada Banco Louco; I1-I5= camadas inferiores. 7

8 Tabela II: Características químicas e petrológicas e espessuras para as camadas superiores, BL e inferiores encontradas nos oito furos da Jazida de Candiota Poder Calorífico Espessura (m) Cinzas (w%) Matéria Volátil (%) Enxofre (%) Camada (cal/g) Inertinita (%vol) Reflectância (%) Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média Mín. Máx. Média S2* 1,38 1,50 1,44 39,4 39,4 39,4 21,0 21,0 21,0 4,71 4,71 4, ,0 24,0 24,0 0,38 0,38 0,38 S3 0,09 1,05 0,50 29,0 51,0 38,7 16,7 29,5 22,6 0,68 3,00 1, ,4 24,2 20,3 0,39 0,41 0,40 S4 0,25 1,04 0,57 39,3 62,3 48,8 14,7 21,1 18,8 0,65 6,48 1, ,0 31,6 24,2 0,37 0,43 0,40 S5 0,22 1,48 0,78 40,1 58,4 51,9 16,6 20,5 18,9 0,55 3,39 2, ,8 31,2 22,3 0,40 0,44 0,41 S6 0,08 1,51 0,84 36,7 52,7 46,3 19,3 20,9 20,1 0,68 3,05 2, ,8 22,2 17,3 0,40 0,44 0,41 S7 0,08 0,45 0,25 43,1 59,0 51,3 16,3 21,5 18,5 0,41 2,12 1, ,0 47,4 23,9 0,36 0,43 0,40 S8 0,08 0,75 0,41 33,7 67,0 48,7 15,6 19,4 17,3 0,77 4,33 1, ,2 48,4 30,9 0,36 0,41 0,39 S9 0,09 0,60 0,30 41,6 74,2 55,2 13,5 20,6 17,6 0,43 1,75 0, ,8 55,8 37,4 0,38 0,44 0,41 BL 0,21 0,85 0,67 41,7 49,3 46,0 18,4 21,9 19,9 0,47 3,66 1, ,4 54,2 44,6 0,40 0,45 0,42 I1 0,10 1,26 0,70 50,0 57,6 54,2 18,7 22,4 20,4 0,49 8,08 2, ,0 25,2 20,5 0,33 0,44 0,40 I2 0,90 1,59 1,19 36,5 71,2 52,7 15,1 21,6 19,9 0,53 7,63 2, ,4 23,2 20,5 0,36 0,45 0,40 I3 0,14 1,59 0,56 33,9 51,0 45,1 20,1 25,1 23,4 0,71 1,68 1, ,3 22,6 16,4 0,39 0,46 0,41 I4 0,67 1,75 1,13 43,0 52,8 47,2 21,0 25,8 22,8 0,87 2,59 1, ,2 24,4 20,6 0,39 0,44 0,41 I5 0,33 0,71 0,50 44,0 58,1 51,0 18,1 24,1 21,1 1,07 2,35 1, ,0 22,0 19,0 0,37 0,47 0,42 * Evidenciou-se a ocorrência da camada S2 somente no furo F371 8

9 3.3 Ensaios de Reatividade A Figura 5 apresenta os resultados dos testes de combustão não-isotérmicos realizados nas amostras das camadas do furo 364 do carvão da mina de Candiota. Os perfis de combustão das amostras mostram: - Ti, temperaturas de início de combustão entre 321 e 338 C, tanto para as camadas S (S3 a S8) como para as camadas I (I1 a I4); a camada BL apresenta uma temperatura inicial maior do que a das outras camadas (380 C); - Tp, temperaturas de pico ou de reatividade máxima entre 385 e 450 C para as camadas S e entre 433 e 453 C para as camadas I; a temperatura de pico da camada BL é superior a das outras camadas (480 C); - Tf, temperatura final de combustão entre 557 e 588 C para as camadas S e entre 575 e 604 C para as camadas I; a camada BL tem a menor temperatura final (535 C); - Rmáx, reatividades máxima entre 0,17 e 0,23 min -1 ; a camada BL que possui a maior reatividade (0,28 min -1 ). Cabe citar que a reatividade máxima neste tipo de teste está relacionada à amplitude do intervalo de combustão (Tf-Ti). Quanto menor este intervalo, maior é a reatividade máxima (Osório, 2008). Na figura 5, pode-se observar o menor intervalo de combustão da camada BL e uma leve tendência de aumento na temperatura de pico da camada superior para a inferior. Figura 5. Temperaturas características de combustão e reatividade máxima das camadas do Furo as retas são linhas de tendência. Nos testes de combustão do carvão, as temperaturas características crescem com o aumento do rank, sendo que os aumentos são maiores até refletâncias da ordem de 0,8% segundo o trabalho de Alonso, (2001). A Figura 6 mostra as temperaturas características em função da refletância aleatória média das vitrinitas (Rrandom). Observa-se que para a variação de refletância de 0,36% para 0,46% Rrandom nas camadas do carvão Candiota, há uma

10 tendência muito pequena de aumento nas temperaturas inicial e de pico com o aumento de rank, porém há uma tendência de decréscimo na temperatura final. Figura 6. Temperaturas características das amostras do furo 364 em Função da variação de rank as retas são linhas de tendência. Para as mesmas condições de combustão e carvões de rank similar, como é o caso das camadas do carvão Candiota, as variações nas temperaturas características e no intervalo de combustão dependem mais das diferenças encontradas na distribuição maceral dos carvões. Segundo Milligan (1997), essas heterogeneidades produzem diferentes propriedades físicas e químicas que refletem no comportamento de combustão. Vitrinitas são mais reativas que inertinitas devido à menor aromaticidade, enquanto que liptinitas têm temperaturas mais baixas de ignição devido ao maior rendimento em matéria volátil. Também dentro dos grupos macerais existem diferenças de reatividade. Porém, a combustão do carvão como um todo depende das interações que ocorrem entre os macerais, sendo a presença da liptinita importante para essas interações porque estas ocorrem via liberação de voláteis. Como a temperatura de pico é usada para avaliar a combustibilidade do carvão, embora não se possa comparar ao processo industrial porque a taxa de aquecimento é baixa (Alonso, 2001), existem diferenças de combustibilidade entre algumas camadas. Em ordem decrescente de combustibilidade: S8> S7=S6>S4=I3>S3=I1=I2=I4>BL. A camada S5 não apresentou boa repetibilidade e não foi utilizada nesta análise. A figura 7 mostra as curvas de reatividade em função da temperatura para algumas camadas com combustibilidade similar (figura 7ª, c, d), e camadas com combustibilidades distintas (figura 7b), todas comparadas à camada I2 do Furo 364. A amostra da camada BL (Rr=0,45%) tem um dos teores mais baixos de vitrinita (24,2%) e os teores mais altos de liptinita (19,8%) e de inertinita (56%). O teste de combustão indica que essa amostra tem temperaturas inicial e de pico mais altas e, em conseqüência, uma menor combustibilidade. Isto pode ser devido ao maior rank (Rrandom=0,45%), porém a amostra apresenta uma temperatura final mais baixa que as demais amostras. O teor alto de inertinita associado aos teores mais altos de liptinita e mais baixos de vitrinita resultam num menor intervalo de combustão e em reatividade máxima mais alta (Figura 7b). Isto poderia justificar a tendência de queda na temperatura final com o aumento de rank. Por outro lado, a camada S8 (Rrandom=0,41%) é a que possui maior combustibilidade e embora tenha um teor de inertinita (51Vol%) bem próximo da amostra BL, seu comportamento é bem distinto. Seu perfil de combustão apresenta uma inflexão em torno de C (Figura 7b), indicando a presença de inertinitas de graus diferentes de oxidação. Outras amostras também apresentam esta inflexão (S5,S6,S7), mas em menor proporção. 10

11 Os testemunhos de sondagem escolhidos para o estudo de reatividade da jazida na direção horizontal foram os da camada I2 (Furos 364, 369, 371 e 372) devido a homogênea continuidade lateral. Os resultados dos testes de combustão não isotérmicos, apresentados na figura 7 d e figura 8, mostram que as amostras têm um comportamento similar. A temperatura de pico é a mesma para as amostras dos furos 364, 369 e 372. A amostra do furo 371 apresenta uma temperatura de pico um pouco menor (10 C), embora tenha refletância maior (0,45%Rrandom), comparada com as demais amostras (0,39-0,40%). A reatividade maior da amostra I2 do furo 364 está relacionada com o menor intervalo de combustão. Essas pequenas mudanças de comportamento se devem a pequenas variações na composição e/ou distribuição maceral. Figura 7. Curvas de reatividade em função da temperatura; (a) amostras S3,I1,I2,I4- furo 364 com mesma Tp; (b) amostras S4 e I3 e (c) diferenças na combustão das amostras S8 e BL, comparadas a I2- furo 364; (d) amostras da camada I2 dos furos 364, 369, 371 e 372. Figura 8. Temperaturas características de combustão e reatividade máxima da camada I2 dos Furos 364, 369, 371 e as retas são linhas de tendência. 11

12 Análise Elementar Análise Imediata 3.4 Ensaios de beneficiamento Análises imediata e elementar das amostras brutas A Tabela III mostra os resultados obtidos das análises imediata e elementar das camadas superiores (S2-S9), BL e inferiores (I1-I5). Tais resultados são as médias obtidas de cada camada. Tabela III. Média dos teores das camadas superiores, BL e inferiores (amostras brutas). CAMADAS SUPERIORES, BL e INFERIORES - MÉDIA DOS TEORES CAMADA S2 S3 S4 S5 S6 S8 S9 BL I1 I2 I3 I4 I5 Cinzas (%) 47,2 57,1 56,2 59,3 51,6 61,1 60,5 49,1 59,3 56,3 49,2 53,4 47,9 Mat. Volátil (%) 28,2 23,5 24,9 23,8 27,3 19,8 19,9 25,2 22,8 23,8 25,6 25,7 28,4 Umidade (%) 10,2 8,6 8,6 8,5 10,2 6,7 6,7 8,5 7,5 7,5 7,7 8,3 7,9 Carb. Fixo (%) 24,6 19,3 18,9 16,9 21,1 19,1 19,6 25,7 17,8 19,8 25,2 20,8 23,7 S (%) 4,7 1,9 3,1 2,2 2,4 1,2 1,1 1,3 0,8 2,2 1,1 1,6 2,3 N (%) 0,7 0,6 0,6 0,7 0,7 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 C (%) 31,6 28,4 26,3 27,6 29,7 26,4 23,8 33,9 27,5 26,4 31,5 33,0 35,9 H (%) 4,2 3,7 3,2 3,3 3,4 2,8 2,3 3,2 2,9 3,0 3,9 3,9 4,2 De acordo com a Tabela III, as camadas S2, S6, BL, I3, I4 e I5 são as que apresentam as menores médias de teor de cinzas (entre 47 e 53%). Ainda essas mesmas camadas são as que apresentam as maiores médias do teor de matéria volátil e carbono total. Já com relação à média do teor de enxofre total, as camadas S2, S4, S5, S6, I2 e I5 são as apresentam valores acima de 2,0%. Conforme os dados técnicos da CRM, a usina termelétrica Presidente Médici pode operar com até 53% de cinzas e 2,0% de enxofre total. Assim, tendo em vista tais resultados, as camadas S2, S6, BL, I3, I4 e I5 atenderiam as exigências de teor de cinzas máximo exigido pela termelétrica, apesar do alto teor de enxofre total das camadas S2, S6 e I5. Essas camadas demonstram aparentemente, uma melhor qualidade em relação às demais camadas estudadas (S3, S4, S5, S8, S9, I1 e I2) Curvas de Lavabilidade A partir dos ensaios de afunda-flutua, foram elaboradas as curvas de lavabilidade paras as camadas superiores, BL e inferiores. Essas curvas foram plotadas nas faixas granulométricas -25,4 +2,0 mm (faixa A) e -2,0 +0,1 mm (faixa B), tanto para o teor de cinzas como para o teor de enxofre total. Para todas as camadas que apresentaram mais de uma amostra representativa, foram elaboradas suas respectivas curvas médias de lavabilidade. Essas curvas representam as características de lavabilidade da camada como um todo Teor de cinzas nas faixas granulométricas -25,4 +2,0 mm (Faixa A) e -2,0 +0,1 mm (Faixa B) As Figuras 9 e 10 mostram as curvas médias de lavabilidade em função do teor de cinzas nas faixas granulométricas -25,4 +2,0 mm (Faixa A) e -2,0 +0,1 mm (Faixa B) respectivamente, elaboradas das camadas S2, S3, S4, S5, S6, S8, S9, BL, I1, I2, I3, I4 e I5. De acordo com as Figuras 9 e 10, as curvas médias dos flutuados e afundados apresentam um comportamento muito semelhante entre todas as camadas, onde a distribuição do teor de cinzas tende a aumentar à medida que a densidade também aumenta. Entretanto, 12

13 somente nas frações mais densas, na grande maioria das curvas médias dos afundados, a concentração de cinzas diminui em virtude da redução de massa que se queima (grande presença de enxofre) durante a realização das análises de determinação do teor de cinzas (Leonard, 1979). Fazendo uma comparação entre as curvas médias de lavabilidade de ambas as faixas granulométricas, observa-se que na faixa B há uma redução da distribuição do teor de cinzas ao longo de todo o intervalo densimétrico em relação a faixa A. Isto já era esperado, visto que o carvão se encontra mais liberado na menor faixa granulométrica. Figura 9. Curvas médias de lavabilidade das camadas superiores, BL e inferiores, em função do teor de cinzas (Faixa A). 13

14 Figura 10. Curvas de lavabilidade das camadas superiores, BL e inferiores, em função do teor de cinzas (Faixa B). Com relação às curvas médias densimétricas, na faixa A (Figura 9) observa-se que todas as camadas apresentam baixa liberação de matéria carbonosa, e para a grande maioria, essa baixa liberação encontra-se entre as densidades 1,6 e 1,9 g/cm³. Já para a faixa B (Figura 10), a grande maioria das camadas apresenta uma distribuição mais homogênea do material ao longo de todo o intervalo densimétrico. Quanto às curvas médias NGM, na faixa A (Figura 9) observa-se que para a grande maioria das camadas, haveria um melhor separabilidade dos carvões em torno da densidade 2,0 g/cm³, cujos valores de NGM são mais baixos. Somente para as camadas S8 e S9 seria extremamente difícil beneficiar tais carvões ao longo de todo o intervalo densimétrico, visto que mostram valores muito altos de NGM (>25%). Já na faixa B (Figura 10), o comportamento de tais curvas é mais variado para a maioria das camadas. Nessa faixa granulométrica, a densidade de corte, para uma melhor separabilidade desses carvões, varia entre 1,7 e 2,1 g/cm³ Teor de enxofre total nas faixas granulométricas -25,4 +2,0 mm (Faixa A) e -2,0 +0,1 mm (Faixa B) As Figuras 11 e 12 mostram as curvas médias de lavabilidade em função do teor de enxofre total de todas as camadas superiores, BL e inferiores. Porém foram elaboradas somente as curvas dos flutuados para esse teor. Tais curvas foram inseridas juntamente com as suas respectivas curvas densimétricas, para facilitar nas interpretações. 14

15 Figura 11. Curvas médias de lavabilidade das camadas superiores, BL e inferiores, em função do teor de enxofre total (Faixa A). De acordo com as Figuras 11 e 12, observa-se que a maioria das camadas apresenta uma pequena redução do teor de enxofre total à medida que a densidade aumenta. Somente nas frações mais densas, tal teor aumenta consideravelmente, chegando a aproximadamente 4,9 e 5,4% nas camadas S6 e S2 respectivamente, da faixa A e, aproximadamente 3,4 e 6,2% nas camadas S6 e S2 respectivamente, da faixa B. Isto indica grande concentração de pirita nessas frações. 15

16 Figura 12. Curvas médias de lavabilidade das camadas superiores, BL e inferiores, em função do teor de enxofre total (Faixa B). Com relação ao teor médio de enxofre total distribuído ao longo de todo o intervalo densimétrico, tanto na faixa A quanto na faixa B (Figuras 11 e 12 respectivamente), as camadas S9, BL e I1 são as que possuem o menor valor médio (entre 0,7 e 0,8% aproximadamente). Já o maior valor médio é apresentado somente pela camada I5 (em torno de 2,0%) na faixa A. Já na faixa B tal valor é apresentado pela camada S2, com aproximadamente 2,3% de enxofre total, seguido depois pela camada S3 com 1,9%. Em vista disso, ainda esses valores de enxofre total são considerados baixos para os padrões brasileiros. Isto significa que estão dentro do limite máximo de teor de enxofre total aceito para os carvões utilizados nas termelétricas brasileiras. Fazendo uma comparação dos valores médios de teor enxofre total obtidos das camadas da faixa A (figura 11) com os valores obtidos de suas respectivas amostras brutas, mostrados na Tabela III, há uma redução de aproximadamente 3,4% desse teor para a camada S2. Em seguida vêm as camadas S5, S6 e I2 com uma redução de 1,2% e depois segue a camada S4 com 0,7% e as camadas S3 e BL com 0,6%. As camadas S9, I4 e I5 apresentam uma redução de 0,3% e as camadas S8 e I3, uma redução de apenas 0,2 e 0,1% respectivamente. Já a camada I1 mantém-se com o mesmo valor. Quanto à faixa B (Figura 12), fazendo a mesma comparação também com a Tabela III, há uma redução de aproximadamente 2,4% do enxofre total para a camada S2. Em seguida vêm as camadas S4 e I2 com uma redução de 1,7 e 1,2%, respectivamente. Depois, seguem as camadas S6 e I5 com 0,8%, a camada S5 com 0,7% e a camada BL com 0,5%. As camadas S9 e I4 apresentam uma redução de apenas 0,3 e 0,2%, respectivamente. Já as demais camadas (S3, S8, I1 e I3) mantêm os mesmos valores. 16

17 Assim, caso houvesse um possível beneficiamento gravimétrico de todas as camadas analisadas em ambas as faixas granulométricas A (-25,4 +2,0 mm) e B (-2,0 +0,1 mm), obterse-ia produtos com valores baixos de enxofre total em qualquer corte densimétrico, conforme mostram suas respectivas curvas médias de lavabilidade (Figuras 11 e 12), mas para isso, as frações mais densas não seriam consideradas. 4. CONCLUSÕES 4.1 Ambiente deposional das camadas. A sucessão faciológica compreeende na base conglomerados matriz-suportados e arenitos típicos de sistemas de leques aluviais e sistemas fluviais, respectivamente. Neste contexto são formadas as camadas de carvão inferiores, que são tipicamente finas e descontínuas. Em direção ao topo, ocorre o ambiente barreira-laguna, em que as principais camadas de carvão (espessas e contínuas CCS e CCI) ocorrem no subambiente lagunar, no final do TST da seqüência 2. As camadas superiores desenvolvem-se no subambiente lagunar também, mas ocorrem no TSNA da seqüência 2 e no TSNB da seqüência 3, e são tipicamente finas e descontinuas. Em seguida ocorrem sedimentos marinhos no topo da seção analisada, sobrepostos à sucessão portadora de carvão. Observa-se então, um grande controle estratigráfico na geometria e disposição das camadas de carvão. 4.2 Caraterísticas Petrográficas e Químicas A matéria orgânica nas camadas superiores e inferiores mostram em geral domínio de macerais do grupo de vitrinita, seguido por inertinita e menores valores de liptinita. Algumas camadas, em especial a S8, S9 e principalmente a Banco Louco apresentam altos conteúdos de inertinita em sua composição maceral. A matéria mineral varia de 13,6 66 % em volume e é composta por argilominerais, seguido de quartzo e pirita. A reflectância da vitrinita revelou resultados médios de 0,40 % Rrandom, classificando as amostras como carvões de rank subetuminoso tipo C. De acordo com a classificação internacional da Comissão Econômica para a Europa das Nações Unidas e conforme a média dos teores de cinzas, as amostras são classificadas como carvões de categoria muito inferior. Todos os parâmetros das análises químicas e petrológicas realizadas nos carvões das camadas superiores e inferiores estão em níveis aceitáveis para a geração de energia elétrica. 4.3 Ensaios de Reatividade Os testes de combustão por análise termogravimétrica indicaram que existem diferenças de combustibilidade entre algumas camadas do furo 364. As maiores diferenças encontram-se na camada BL, de mais baixa combustibilidade, e na S8, de mais alta combustibilidade. As diferenças parecem estar mais relacionadas com a composição maceral do que com a diferença de rank. No perfil horizontal da camada I2, as amostras dos furos 364, 369, 372 apresentaram mesma combustibilidade, enquanto que a do furo 371 foi levemente superior. Pode-se afirmar, neste caso onde a refletância é maior na amostra mais reativa, que a diferença na temperatura de pico se deve a pequenas variações na composição maceral. 4.4 Ensaios de Beneficiamento Os principais resultados mostram que as camadas de carvão em seu estado bruto, tais como: S2, S6, BL, I3, I4 e I5 atendem aos requisitos máximos dos teores de cinzas (53%) e de enxofre total (2,0%) exigidos pela usina termelétrica Presidente Médici, apesar do alto teor de enxofre total das camadas S2, S6 e I5. Essas camadas demonstram aparentemente, uma melhor qualidade em relação às demais camadas analisadas (S3, S4, S5, S8, S9, I1 e I2). Para as camadas com teores de cinzas e enxofre total acima do exigido pela termelétrica, o seu uso 17

18 poderia ser viabilizado por beneficiamento granulométrico conforme mostram as suas curvas de lavabilidade em ambas as faixas granulométricas determinadas (-25,4 +2,0 mm e -2,0 +0,1 mm). No entanto, o desempenho de tal beneficiamento dependerá principalmente do valor de NGM e do corte densimétrico de cada camada. Além disso, tais curvas mostram, em ambas as faixas granulométricas, que se beneficiadas, obter-se ia baixos valores de enxofre total em qualquer corte densimétrico. No entanto, para isso, as frações mais densas não seriam consideradas. Assim, os resultados destes estudos mostram que as camadas não mineradas de Candiota apresentam potencial para o uso energético. Desta forma, é interessante para a empresa estudar com mais detalhamento a viabilidade econômica de um futuro processo de beneficiamento, possibilitando uma melhoria na qualidade do produto final e um maior aproveitamento das reservas de carvão. 5. AGRADECIMENTOS O estudo recebeu apoio financeiro pelo Edital MCT/CNPq/CTEnerg n. 33/2006 Combustão e Gaseificação, projeto / Os autores agradecem a Companhia Rio- Grandense de Mineração pela realização dos oito furos supervisionados pelo geólogo Rui Osório. Maiquel Kochhan Lunkes agradece ao CNPq pela bolsa de iniciação tecnológica industrial (ITI) durante a vigência do projeto. Wolfgang Kalkreuth agradece ao CNPq pela bolsa de produtividade em pesquisa. 6. REFERÊNCIAS Alonso, M.J.G. et al. Physicochemical transformation of coal particles during pyrolysis and combustion. Fuel v.80, p , ASTM D Standard Practice for Preparing Coal Samples for Analysis. ASTM D Annual Book of ASTM Standards. Sec Standard Test Method for Gross Calorific Value of Coal and Coke by Adiabatic Bomb Calorimeter. ASTM, Philadelphia, PA, p , ASTM D Annual Book of ASTM Standards. Sec Standard Test Method for Moisture in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM, Philadelphia, PA, p , ASTM D Annual Book of ASTM Standards. Sec Standard Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM, Philadelphia, PA, p , ASTM D Annual Book of ASTM Standards. Sec Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM, Philadelphia, PA, p , ASTM D Standard Test Methods for Instrumental Determination of Carbon, Hydrogen, and Nitrogen in Laboratory Samples of Coal and Coke. In: 1997 Annual Book of ASTM Standards, Section 5, Petroleum Products, Lubrificants, and Fossil Fuels, Vol , Gaseous Fuels: Coal and Coke p American Society for Testing and Materials ASTM. Philadelphia, PA

19 ICCP, International Committee of Organic and Coal Petrology. International Handbook of Coal Petrography, 2nd edition, Centre National de la Recherche, Paris ICCP, The new vitrinite classification. International Committee for Coal and Organic and Petrology (ICCP System 1994), Fuel 77, ICCP, The new inertinite classification. International Committee for Organic and Coal Petrology, (ICCP System 1994), Fuel 80, ISO 7404/3. Methods for the petrographic analysis of bituminous coal and anthracite. Part 3. Methods of determining maceral group composition. 4p, ISO 7404/5. Methods for the petrographic analysis of bituminous coal and anthracite. Part 5. Method of determining microscopically the reflectance of vitrinita. 11p, Leonard, J. W. Coal Preparation, 4th Edition, American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers (AIME), New York, Chapter 4, 1165 p, Milligan, J.B.; Thomas, K.M. e Crelling, J.C. Temperature-programmed combustion studies of coal and maceral group concentrates. Fuel. v.76, p ,1997. Oliveira, J. S. de, Kalkreuth, W. Sequence stratigraphy, organic petrology and chemistry applied to the upper and lower seams in the Candiota Coalfield, Paraná Basin, RS, Brazil. International Journal of Coal Geology 84, , Osório, E. et al. Non-isothermal combustion behaviour of coal blends in a thermobalance as seen by optical microscopy. Thermochimica Acta 475, p1-7,2008. Pacheco, E. T. Estudo do beneficiamento a seco do carvão da Mina de Candiota-RS. Tese de doutorado. Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais - PPGEM. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 78 p, Peuker, K., Fagundes, L. Primeiro inventário brasileiro de emissões antrópicas de gases de efeito estufa. Sindicato Nacional da Indústria de Extração de Carvão Mineral SNIEC, 2006.Disponívelem:< erencias/setor_energetico/4.pdf> Acesso em: 13 ago Sampaio, C. H., Tavares, L. M. M. Beneficiamento gravimétrico: uma introdução aos processos de concentração mineral e reciclagem de materiais por densidade. 1ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 603 p., Silva, M. B., Kalkreuth, W. Petrological and geochemical characterization of Candiota coal seams, Brazil - Implication for coal facies interpretations and coal rank. International Journal of Coal Geology, v. 64, p , Wilgus, C. K., B. S. Hastings, C. G. St. C. Kendall, H. W. Posamentier, C. A. Ross, and J. C. Van Wagoner, eds.,, Sea-level changes An integrated approach: SEPM Special Publication 42, 407 p.,