UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA TÓPICOS ESPECIAIS EM TECNOLOGIA INORGÂNICA I CARVÃO MINERAL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA TÓPICOS ESPECIAIS EM TECNOLOGIA INORGÂNICA I CARVÃO MINERAL Porto Alegre, 21 de março de 2003.

2 1 - INTRODUÇÃO O carvão mineral é um combustível fóssil que teve origem a partir da deposição de restos de plantas sob a lâmina d água, que impediu sua oxidação. Com o passar do tempo, estes depósitos foram sendo soterrados por matéria mineral. Este soterramento gradativo provocou um aumento da temperatura e da pressão sobre a matéria orgânica, expulsando o oxigênio e o hidrogênio (processo de carbonificação), concentrando o carbono, que é a base do combustível fóssil chamado carvão mineral. A sua utilidade abrange um vasto campo que resumidamente abrange geração de eletricidade e calor.

3 2 - CARVÃO MINERAL O carvão mineral é formado por troncos, raízes, galhos e folhas de árvores gigantes que cresceram há 250 milhões de anos em pântanos rasos. Essas partes vegetais, após morrerem, depositaram-se no fundo lodoso e ficaram encobertas. O tempo e a pressão da terra que foi se acumulando sobre o material transformaramno em uma massa negra homogênea as jazidas de carvão. O carvão mineral ou simplesmente carvão é um combustível fóssil sólido formado a partir da matéria orgânica de vegetais depositados em bacias sedimentares. Por ação de pressão e temperatura em ambiente sem contato com o ar, em decorrência de soterramento e atividade orogênica, os restos vegetais ao longo do tempo geológico se solidificam, perdem oxigênio e hidrogênio e se enriquecem em carbono, em um processo denominado carbonificação. Quanto mais intensas a pressão e a temperatura a que a camada de matéria vegetal for submetida, e quanto mais tempo durar o processo, mais alto será o grau de carbonificação atingido, ou rank, e maior a qualidade do carvão. Os diversos estágios de carbonificação, do menor para o maior rank, são dados pelo esquema: turfa à sapropelito à linhito à carvão sub-betuminosoà carvão betuminoso à antracito. O estágio mínimo para a utilização industrial do carvão é o do linhito. Outro índice qualitativo do carvão é o grade, que mede de forma inversamente proporcional o percentual em massa de matéria mineral incombustível (cinzas) presente na camada carbonífera. Um baixo grade significa que o carvão possui um alto percentual de cinzas misturado à matéria carbonosa, conseqüentemente, empobrecendo sua qualidade. De maneira simplificada e esquemática, são as seguintes modificações principais que ocorrem durante a carbonificação geoquímica: formação de turfa Modificações: - diminuição da umidade - diminuição da porosidade - perda de voláteis (grupos funcionais OH - e COOH - ) formação de linhito Modificações: - diminuição da porosidade - diminuição da umidade (devido ao acréscimo de porosidade e do grupo funcional OH - ) - aumento do poder calorífico - liberação de OH - e COOH - e C=O, marcadamente nas etapas iniciais - aumento do teor de C formação de carvão mineral Modificações: - diminuição da umidade - aumento do poder calorífico - dimiuição acentuada da matéria volátil - aumento do teor de C formação de antracito

4 Modificações: - rápido decréscimo do teor de hidrogênio - aumento acentuado da refletência (devido ao aumento do processo de gratificação) - liberação de grandes quantidades de metano (associado à perda de hidrogênio) Paulatinamente, a partir da época dos grandes descobrimentos, o carvão mineral foi substituindo a lenha, até então considerada como a principal fonte de energia utilizada pelo homem. A combustão direta do carvão, para produção de vapor, foi a principal alavanca para o progresso da humanidade em direção à industrialização. Atualmente, o principal uso da combustão direta do carvão é na geração de eletricidade, por meio de usinas termoelétricas. Essa tecnologia está bem desenvolvida e é economicamente competitiva. Os impactos ambientais das usinas a carvão são grandes, não só pelas emissões atmosféricas, mas também pelo descarte de resíduos sólidos e poluição térmica, além dos riscos inerentes à mineração. A melhoria do processo de combustão poderia reduzir as emissões de monóxido de carbono e nitrogênio, a partir da dessulfurização dos gases de combustão ou da utilização de carvão com baixo teor de enxofre. E também o calor residual da usina poderia ser aproveitado nas suas proximidades, para evitar perdas energéticas, como por exemplo: aquecimento de caldeiras, movimentação de motores, etc 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. RESÍDUOS SÓLIDOS + ÁGUA CO + H 2 + OUTROS 1) C + H 2 O CO + H 2 2) C + CO 2 2CO 3) C + O 2 CO 2 4) C + 2H 2 CH 4 5) CO + H 2 O CO 2 + H 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.

5 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 Coqueificação Entre as propriedades do carvão relacionadas à coqueificação estão o 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 Pirólise A carbonização do carvão é um exemplo de conversão química. Quando o carvão mineral sofre pirólise térmica, ao abrigo do ar, converte-se em diversos produtos sólidos, líquidos e gasosos. A natureza e a quantidade de cada produto depende da temperatura usada na pirólise e da espécie do carvão. A teoria química da pirólise do carvão 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 os laços entre o carbono e o hidrogênio, quando a temperatura se chega próxima a C e as decomposição 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. Esta diminuição é marcada pela saída de água, de monóxido de carbono, de hidrogênio, de metano, e de outros hidrocarbonetos. Ao final as decomposições atingem um máximo entre 600 e C 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 como 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, contém 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

6 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, é 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 extraem-se 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.tabela 1: Valores Caloríficos dos Combustíveis COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS CALORIAS POR QUILOGRAMA COMBUSTÍVEIS QUÍMICOS CALORIAS POR QUILOGRAMA Carbono, Grafita Carvão Antracito Carvão Betuminoso Carvão Vegetal Coque Linhita Madeira (Seca ao Ar) Turfa (Seca ao Ar) 7.839, , , , , , , , ,00 Alumínio Berílio Boro Diborano Hidrogênio Lítio Hidreto de Lítio Magnésio Pentaborano Silano Silício Titânio 7.404, , , , , , , , , , O Valor Calorífero dos Combustíveis é medido, pelo sistema métrico, em caloria. Os combustíveis químicos, líquidos e sólidos são medidos por peso. Os combustíveis gasosos são medidos pelo volume. O valor calorífico dos combustíveis depende de sua composição, de seu peso e de seu conteúdo de cinzas.