BENEFÍCIOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AO USO DE ESPIRAIS COM TRÊS PRODUTOS NO BENEFICIAMENTO DE CARVÃO MINERAL UM ESTUDO DE CASO EM SANTA CATARINA José Roberto Ronconi josé.ronconi@satc.edu.br Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina SATC Rua Pascoal Meller, 73 Bairro Universitário. CEP 88805-380 Criciúma, SC. Ivo André Homrich Schneider ivo.andre@ufrgs.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS. Av Bento Gonçalves, 9500 Bairro Agronomia. 91501-970 - Porto Alegre, RS. Resumo: O objetivo deste trabalho foi estudar o uso de uma espiral com três produtos no beneficiamento do carvão mineral. A metodologia do trabalho incluiu a caracterização do processo convencional de beneficiamento de finos de carvão (espiral com 2 produtos) e a caracterização da mesma espiral operando no sentido de se obter 3 produtos. Os fluxos de entrada e saída foram analisados em termos d e massa, teor de cinzas, matéria volátil, carbono fixo, teor de enxofre total e granulometria. Os resultados demonstram os benefícios no uso da espiral de 3 produtos. Além da concentração de carvão, é possível obter dois outros produtos. Um com baixo teor de enxofre e, inclusive, potencial energético. Outro é um concentrado de pirita (14,3% de pirita), que pode ser rebeneficiado, por exemplo elutriação aquosa, e ser comercializado para produção de ácido sulfúrico, coagulantes, pigmentos ou abrasivos. Palavras-chave: carvão mineral, pirita, meio ambiente, drenagem ácida, tratamento de minérios ENVIRONMENTAL BENEFITS RELATED TO THE USE OF 3 PRODUCTS SPIRALS IN COAL PROCESSING A CASE STUDY IN SANTA CATARINA Abstract: The aim of this work was to study the three product spiral in coal processing. The methodology included the characterization of the conventional fine coal processing (2product spiral) and the characterization of the same equipment adapted to produce 3 different materials. The overflow and downflow materials were analyzed in terms of mass; the content of ash, volatile matter, fixed carbon; and total sulfur; and particle size distribution. The results showed the benefits of the use three product spiral. It is possible to concentrate coal and, additionally, to recover two other products. One is: a low sufur material, with energetic properties. Another isa pyrite concentrate (14.3% pyrite), that can be submitted to another concentration process, e.g aqueous elutriation, to be used for production of sulfuric acid, coagulants, pigments, or abrasives. Keywords: coal, pyrite, environment, acid mine drainage, mineral processing
1. INTRODUÇÃO Historicamente, o carvão brasileiro foi descoberto em Santa Catarina, em 1827, na localidade de Guatá, município de Lauro Müller e foi inicialmente explorado por uma empresa inglesa que construiu uma ferrovia ligando Lauro Müller ao porto de Laguna. (http://www.cprm.gov.br/coluna/carvaomineral0.html) Com o tempo, a mineração no estado se fortaleceu, de forma que foram ampliadas as ferrovias, e novas mineradoras foram criadas. O carvão mineral é uma das maiores fontes de energia não renovável do país. As maiores reservas de carvão estão localizadas no Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná com 28,8 bilhões, 3,4 bilhões e 100 milhões de toneladas respectivamente (NASCIMENTO, 2002). O carvão produzido é dividido em dois tipos: energético e metalúrgico. O carvão energético é destinado às termelétricas e o metalúrgico destina-se principalmente à fabricação de agregados siderúrgicos e produtos carboquímicos (PETERSON, 2008). As camadaslavradas na região carbonífera de Santa Catarina são a camada Barro Branco, camada Bonito e a camada Irapuá. O carvão de Santa Catarina precisa ser beneficiado para uso energético ou siderúrgico (Rubio, 1988). O objetivo fundamental do beneficiamento do carvão é reduzir as impurezas associadas à ele. Um balanço de massa típico dos produtos associados ao processamento de carvão mineral é apresentado na Figura 1. produto Cz: 21% S: 1,9% Massa:. 0,5% overflow flotação Carvão ROM Cz: 64% S: 3,6% Massa:100% -1,0mm Cz: 53% S: 1,5% Massa: 21% britagem e peneiramento -50,8 +1,0mm Cz:67% S: 4,2 Massa: 79% hidrociclones jigue underflow produto Cz: 36% S: 1,9% Massa: 30,0% espirais produto Cz: 40% S: 2,1% Massa:.6,2% bacias de sedimentação "lodo" Cz: 60% S: 1,2% Massa: 14,3% Módulo B R1 Cz: 84% S: 6,5% Massa:25,8% R2 Cz: 81% S: 4,7% Massa: 20,9% R3 Cz: 64% S: 3,7% Massa: 2,3% Figura 1. Balanço de massa típico decorrente do beneficiamento de carvão mineral na camada Barro Branco na região Carbonífera de Santa Catarina(Schneider, 2006). Os problemas gerados a partir da mineração do carvão na região carbonífera de Santa Catarina são inúmeros, e vão desde a abertura da mina (boca), até os passivos deixados no passado, passando pela geração de DAM (Drenagem Ácida de
Mina), depósitos de rejeito a céu aberto, rios degradados entre outros. Segundo Nascimento(2002), independente da forma de extração, a mineração de carvão gera uma quantidade enorme de rejeitos, que são depositados em pilhas ou barragens próximas às áreas mineradas. De cada 1000 kg de material minerado, aproximadamente 600 kg é composto por rejeitos e estéreis, que são depositados no entorno da área minerada, e 1,5 m 3 de efluentes ácidos. Pirita é o sulfeto mineral mais comum. Encontra-se geralmente associado com outros sulfetos ou óxidos em veios de quartzo, rocha sedimentar ou rocha metamórfica, em leitos de carvão e também como mineral de substituição nos fósseis. A pirita exposta ao meio ambiente durante o processo de mineração e escavação pode reagir com oxigênio e água produzindo ácido sulfúrico e lixiviando o solo. Sua oxidação é exotérmica, podendo levar à combustão espontânea dos depósitos de rejeitos nas minas de carvão. Isso polui o ar e leva à formação de chuva ácida (HURLBUT, 1985). Esses depósitos, geralmente altos são grandes geradores de drenagem ácida de minas (DAM). Os módulos de rejeitos, principalmente os mais antigos, não eram construídos de forma correta principalmente por não passarem por uma compactação adequada e nem receberem uma cobertura (após seu fechamento), com camadas de argila de espessuras adequadas. Assim as águas das chuvas facilmente infiltram nesses depósitos ricos em pirita gerando a DAM, que por sua vez apresenta características semelhantes ao ácido sulfúrico, devido a composição química da pirita (FeS 2 ). Os principais impactos ambientais produzidos durante as etapas de lavra e beneficiamento do carvão decorrem da disposição de resíduos sólidos (estéreis e rejeitos). Esses resíduos contêm minerais sulfetados que propiciam a formação de drenagens ácidas, disponibilizando metais bio-acumulativos, tornando as águas inadequadas para uso doméstico e agropecuário. Estéreis e rejeitos ricos em sulfetos de ferro (FeS 2 ) oxidam-se em presença do ar e da água, desencadeando o processo de acidificação de drenagens, que pode ocorrer em minas abandonadas ou em operação (EVANGELOU, 1995). O rejeito de carvão, quando expostos a intemperes, possuem características prejudiciais ao meio ambiente. Porém, se tratados e beneficiados podem ser transformados em produtos de valor agregado como, por exemplo, ácido sulfúrico, sulfato ferroso, sulfato férrico e óxidos de ferro (pigmentos) (Colling et al, 2011; Vigânico et al., 2011). Figura 1: Concentrado piritoso fino. Fonte:Schneider, 2013.
As espirais, na etapa de beneficiamento, funcionam baseados na diferença de densidade existente entre o carvão e o rejeito, utilizando-se de um meio fluido (água) para efetivar a separação/concentração dos produtos. O material menos denso, ou seja, mais leve (carvão) fica na parte externa da espiral, enquanto que o material mais denso (rejeito) permanece na parte interna da mesma. A Figura 2 ilustra uma espiral utilizada no beneficiamento do carvão mineral e os detalhes da saída das espirais como são utilizadas hoje, no beneficiamento com dois produtos (carvão e rejeito) e, na proposta do presente trabalho, com três produtos (carvão, rejeito intermediário e rejeito piritoso). Figura 2: Imagem de uma espiral utilizada no beneficiamento do carvão e detalhes da saída de uma espiral convencional (abaixo a esquerda) e da espiral de três produtos (abaixo a direita). 2. MATERIAIS E MÉTODOS As coletas das amostras foram realizadas em uma das espirais de um circuito típico de beneficiamento de carvões no Município de Forquilhinha, SC. A espiral tem a função de separar o carvão da matéria mineral associada, por meio da densidade. A pirita (mais densa), fica na parte interna da espiral, enquanto que o carvão (menos denso), na parte externa da mesma. Os produtos de saída foram coletados durante a operação do processo nas seguintes condições: (a) Processo tradicional uma placa de separação dividindo o carvão do rejeito (b) Processo com três produtos duas placas de separação, dividindo o fluxo de saída em três carvão, material intermediário e concentrado de pirita.
As características do material de alimentação foram calculadas pelo balanço de massa e teores dos materiais no fluxo de saída. As amostras obtidas desaguadas, secadas em estufa a temperatura de 120 C ± 20 C e quarteadas. O ensaio granulométrico segue conforme NBR 8629 e consiste no peneiramento da amostra. Paras as análise imediata, as amostras foram moídas para granulometria inferior a 60#, conforme NBR-8292.Para determinação da umidade total (NBR 8389) a amostra foi levada a estufa a temperatura de 105 C a 110 C até secagem completa da amostra. Na análise de umidadehigroscópica, um grama de amostra foi levado a estufa por uma hora em cápsula de alumínio a temperatura de 105ºC a 110ºC (NBR 8293). O teor de cinzas baseia-se na determinação da massa do resíduo, resultante da combustão dos componentes orgânicos e oxidação dos inorgânicos da amostra em forno mufla, sob rígido controle de massa (1.0g), temperatura (775ºC ±25ºC), tempo (2 horas) e atmosfera, conforme NBR 8289. A matéria volátil consiste nos destilados voláteis de uma amostra, desprendidos durante o aquecimento em forno elétrico na ausência de oxigênio, sob rígido controle da massa da amostra (1.0g), tempo (7.0 min.) e temperatura (950ºC ±20ºC), conforme NBR 8290. O poder calorífico superior baseia-se na combustão de uma amostra de massa conhecida (0.3g), em bomba calorimétrica, contendo oxigênio e submersa em um determinado volume de água. Todo o conjunto deve ser mantido em câmara termicamente isolada, o processo acontece num período de 7 minutos, conforme Manual do Equipamento LECO AC 500. Teor de carbono fixo, é o somatório dos teores de cinzas e matérias voláteis da amostra, conforme NBR 8299. O teor de enxofre total é a determinação da massa do resíduo, resultante da combustão dos componentes orgânicos e oxidação dos inorgânicos da amostra em forno mufla, sob rígido controle de massa (0,250g), temperatura (1350 C (±5 C)), tempo e atmosfera (40PSI), conforme Manual do Equipamento LECO CHN 628 Séries S, Sulfur. Para a determinação de Carbono (C), Hidrogênio (H) e Nitrogênio (N),deve-se pesar em torno de 0,08 a 0,09g de amostra sobre uma folha de estanho, em seguida acontecem as queimas, a primeira a 950ºC e a segunda a 850ºC, o processo todo leva em torno de 4 a 5 minutos para ser concluído,estes três foram analisados na forma elementar, conforme manual do Determinador CHN628. Todos os ensaios foram feitos no LAEC Laboratório de Análises e Ensaios de Carvão da SATC Associação Beneficente da Industria Carbonífera de Santa Catarina. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam, respectivamente, os resultados obtidos durante a operação da espiral na forma tradicional (2 produtos) e na espiral proposta (3 produtos). Na coluna convencional (Tabela 1), com dois produtos, é possível observar que é obtido um concentrado de carvão, com uma massa de 55,6% da alimentação, com as seguintes características: 54,7% de cinzas, 3697 cal/g de poder calorífico e 1,5% de S. O rejeito, com uma massa correspondente a de 44,4% da alimentação, apresenta 69,3% de cinzas e um teor de enxofre de 7,7%. O teor de pirita no rejeito foi estimado em 14,3%. Na coluna de produtos, o equipamento foi ajustado para manter as mesmas características da fração energética. Contudo, o fluxo do rejeito foi dividido para permitir a obtenção de um rejeito com um menor de enxofre e um concentrado de pirita. Assim, obteve-se outra fração, com uma massa correspondente a 20,1%, com 40,9% de cinzas e 1,4% de S. O concentrado de pirita, com uma massa de 24,3%, apresenta 80,7% de cinzas e um teor de S total de 7,8%. O teor de pirita foi calculado em 14,5%. Assim, fica evidente, no estudo com a espiral de produtos, que é possível unir a fração energética, coletada na parte mais externa da espiral com a fração obtida na parte mais central. Isso acarreta em uma redução em aproximadamente de 45% de massa de rejeitos finos deslocado para o módulo de rejeitos. Pode-se também evidenciar estes dados com os resultados de carbono fixo, que na fração descartada na coluna de 2 produtos era de 14,7% e que na coluna de 3 produtos esse valor é de aproximadamente é de 5,9%. Isso mostra claramente que a utilização da espiral de três produtos proposta no estudo na etapa de espirais do beneficiamento do carvão tornaria se mais eficiente e lucrativa, pois agregaria minério de valor energético, tanto para a empresa mineradora quanto para o meio ambiente, pois grande parte do material que antes seria depositada nos depósitos de rejeito, com essa proposta isso não aconteceria mais. Tabela 1: Balanço de massa e análises imediatasdo material de alimentação e saída da espiral convencional (2 produtos).
Parâmetros Espiral com 2 Produtos Alimentação Carvão Rejeito Massa (%) 100,0 55,6 44,4 Umidade Total (%) 24,2 25,3 20,8 UmidadeHigroscopia (%) 1,2 1,1 1,4 Cinzas (%) 58,3 54,7 69,3 MatériaVolátil (%). 18,1 18,8 16,0 CarbonoFixo (%) 23,6 26,4 14,7 Poder Cal. Superior (cal/g) --- 3697 2328 Enxofre Total (%) 3,0 1,5 7,7 Tabela 2: Balanço de massa e análises imediatas da alimentação e do material de saída da espiral de três produtos. Parâmetros Espiral com 3 Produtos Alimentação Carvão Intermediário Fraçãopirítica Massa (%) 100,0 55,6 20,1 24,3 Umidade Total (%) 24,2 25,3 27,7 18,8 UmidadeHigroscopia (%) 1,2 1,1 1,1 1,4 Cinzas (%) 58,3 54,7 40,9 80,7 MatériaVolátil (%). 18,1 18,8 22,0 13,4 CarbonoFixo (%) 23,6 26,4 37,1 5,9 Poder Cal. Superior (cal/g) --- 3697 --- 1214 Enxofre Total (%) 3,0 1,5 1,4 7,8 Adicionalmente, a Tabela 3 apresenta os resultados da análise granulométrica dos 3 produtos obtidos na coluna com 3 fluxos de saída. Pode-se observar, que praticamente 100% dos produtos apresentam granulometria inferior a 2,0 mm, sendo que a maior parte situa na faixa granulométrica entre 0,25 e 2,00 mm. Tabela 3: Análise granulométrica do material de saída da espiral de três produtos. Fração (mm) Carvão% P Intermediário FraçãoPirítica% P > 2,00 0,4 0,4 0,4 2,00-1,00 24,9 22,3 13,3 1,00-0,50 39,7 37,5 28,2 0,50-0,25 22,2 23,0 31,4 0,25-0,149 7,2 9,5 18,1 < 0,149 5,6 7,3 8,6 Analisando todo o conjunto dos resultados, fica evidente o benefício para o meio ambiente em se utilizar espirais com três produtos no beneficiamento do carvão em Santa Catarina.
Sabe-se que aproximadamente 50-60% do carvão mineral Brasileiro (run-of-mine) é descartado, após beneficiamento, em depósitos de rejeito, contendo diversos minerais e, particularmente, pirita (FeS 2 ) (VIGÂNICO e outros, 2011; RUBIO, 1988). Avaliando-se apenas o resultado obtido a partir do enxofre, observa-se que no caso de simplesmente retirarmos a pirita do meio, já seria reduzido substancialmente o potencial de geração de acidez do produto. A partir dos resultados obtidos, fica clara a possibilidade de utilização do material intermediário na mistura da espiral de três produtos com a fração energética. A fração piritosa, com menor massa, após tratamento adequado, pode ser inclusive beneficiada pelo recente processo de floto-elutriação desenvolvido por Rubio e Englert (2012). Quando concentrada, pode ser enviada para a produção de ácido sulfúrico, pigmentos, coagulantes e abrasivos. A granulometria fina é favorável principalmente para a produção de abrasivos. Assim estes materiais deixariam de ser enviados a depósitos de rejeito. 4. CONCLUSÃO Os resultados obtidos com este estudo deixam claro os benefícios ao meio ambiente e para a mineração a utilização de espirais com três produtos, pois pode-se aumentar a massa da fração energética e deixa-se de depositar consideráveis volumes de enxofre no ambiente. A partir do momento em que se dá um destino adequado para esse material altamente poluente, o mesmo pode apresentar valor agregado significativo se utilizado de forma adequada, como por exemplo na produção de ácido sulfúrico, coagulantes, pigmentos, abrasivos entre outros. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Carbonífera Criciúma pelo auxílio nos experimentos e coleta da amostras bem como SATC pelas análises realizadas. 6. REFERÊNCIAS ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8289 Carvão Mineral: Determinação do Teor de Cinzas. 4p., 1983. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8292 Carvão Mineral: Preparação de amostra de carvão mineral para análise e ensaios. 13p,.1983. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8290 Carvão Mineral: Determinação do Teor de Matérias Voláteis. 3p., 1983. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8389 Coque: Determinação da Umidade Total. 4p,. 1984. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8293 Carvão Mineral: Determinação da Umidade Higroscopia. 6p,. 1983. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8299 Carvão Mineral: Determinação de Carbono Fixo. 2p,. 1983. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8629 Carvão Mineral: Análise Granulométrica. 4p,. 1984. CPRM Serviço Geológico do Brasil, Citação de referências e documentos eletrônicos. Disponível em: <http://www.cprm.gov.br/coluna/carvaomineral0.html>acesso em: 02 fev. 2014. COLLING, A.V.; MENEZES, J.C.S.S.; SCHNEIDER, I.A.H. Bioprocessing of pyrite concentrate from coal tailings for the
production of the coagulant ferric sulphate. Minerals Engineering, v.24, p.1185-1187, 2011. ENGLERT, A.H.; RUBIO, J. Beneficiamento de Rejeito Piritoso do Processamento de Carvão Mineral por Elutriação Aquosa. In: III Congresso Brasileiro de Carvão Mineral, 2011, Gramado. Anais do III Congresso Brasileiro de Carvão Mineral, 2011 EVANGELOU, V. P. Pyrite Oxidation And its Control: Solution Chemistry, Surface Chemistry, Acid Mine Drainage (AMD), Molecular Oxidation Mechanisms, Microbial Role, Kinetics, Control, Ameliorates And Limitations, Microencapsulations. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2000. HURLBUT, Cornelius S.; Klein, Cornelis, 1985, Manual de Mineralogia, 20th ed., John Wiley and Sons, New York, p 285-286. Manual do Equipamento LECO AC 500 Determinação do Poder Calorifico Superior, AutomaticCalorimeter Instruction Manual. LECO Corporation, 3000, Lakeview Avenue. St. Joseph, MI 49085-2396; February, 2008. Manual do Equipamento LECO CHN 628 Séries S, Sulfur Determinação de Enxofre, Add-ON Module (For 628 Series determinators) Instruction Manual. LECO Corporation, 3000, Lakeview Avenue. St. Joseph, MI 49085-2396; August, 2011. Manual do Equipamento LECO CHN 628 Determinação de Carbono, Hidrogênio e Nitrogênio, Carbon / Hidrogen / Nitrogen Determinator Instruction Manual. LECO Corporation, 3000, LakeviewAvenue. St. Joseph, MI 49085-2396; January, 2012. PETERSON, M. Produção de sulfato ferroso a partir da pirita: desenvolvimento sustentável, (Tese de doutorado). Florianópolis, 2008. Disponível em: < http://www2.enq.ufsc.br/teses/d059.pdf> Acesso em: 2. dez. 2011. RUBIO, J. Carvão Mineral: Caracterização e Beneficiamento. Vol. 1. Porto Alegre: Nova Linha Artes Gráficas, 240 p., 1988. SCHNEIDER, C. H. Caracterização da Pirita - Carbonífera Criciúma SA, 4p., 2013. VIGÂNICO, E.M.; COLLING, A.V.; SILVA, R.A.; SCHNEIDER, I.A.H. Biohydrometallurgical/UV production of ferrous sulphate heptahydrate crystals from pyrite present in coal tailings. MineralsEngineering, v.24, p.1146-1148, 2011.