UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA TÉRMICA E FLUIDOS

CARVÃO MINERAL

Autores: Geraldo Jesus Camilo de Campos R.A. 010610 Orientador: Prof. Dr. Caio Glauco Sánchez.

Curso: Engenharia Mecânica Área de Concentração: Térmica e Fluidos

Seminário apresentado ao Prof. Dr. Caio Glauco Sánchez, como requisito para a aprovação na disciplina IM 338 - Tecnologia da Gaseificação.

Campinas, 2005. S.P. – Brasil.

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Carvão mineral

Prefácio Carvão mineral é a maior fonte de energia na forma de combustível fóssil, mundialmente e no Brasil, e a humanidade precisa continuar utilizando este combustível no futuro próximo apesar do carvão ser o combustível mais sujo dos fósseis causando os maiores danos a saúde humana e ao meio ambiente. Em diversos países continuam sendo realizadas pesquisas para diminuir estes efeitos e um dos resultados promissórios é o sistema integrado de gaseificação e ciclo combinado, IGCC. A seguir, são apresentados aspectos básicos do carvão em geral, do sistema IGCC e do carvão brasileiro que é de qualidade muito baixa. Origem A origem do carvão mineral é a vegetação, principalmente madeira, acumulada nos tempos geológicos em brejos e outros locais úmidos com taxas reduzidas de decaimento. Inicialmente a turfa é formada e após enterro por sedimentação e outros processos é transformada em carvão por processos geológicos incluindo altas temperaturas e pressões. Esta transformação é lenta e dependendo do tempo e das condições de cada local são formadas diversas classes de carvão. Carvão de boa qualidade vem dos períodos entre o Ternário, dezenas de milhões de anos atrás e o Devoniano, até 400 milhões de anos atrás.

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As espessuras de jazidas comercialmente exploradas podem ser menores que um metro ou até maiores que cem metros. Junto com os madeiras podem ser acumulados diversos materiais como areia e terra e, também, pode haver intrusão dos materiais em volta. Carvão minado contem, além do carbono, diversos minérios tais como argila e quartzo que formam a cinza quando o carvão é queimado, materiais voláteis e umidade. Diversos materiais químicos tais como benzeno e tolueno são extraídos do carvão e utilizados em indústrias químicas. Classificação Quatro classes são usadas comumente para expressar a qualidade de carvão: antracite, betuminoso, sub-betuminoso e linhito. As classes são divididas em subclasses. Subclasses de mais alta qualidade são definidas por teores de carbono e de materiais voláteis, excluindo umidade e materiais minerais. Meta-antracite é a subclasse de mais alta qualidade com o maior teor de carbono (>98%) e a menor inclusão de materiais voláteis (<2%). Antracite é a seguinte com 92 - 98% carbono e 2 - 8% voláteis. Semi-antracite contem 86 - 92% carbono e 8 - 14% voláteis. As classes de mais baixa qualidade contêm altos teores de materiais voláteis e de umidade e, conseqüentemente, de baixas frações de carbono e baixos valores caloríficos. A última classe, linhito, refere se a carvão em processo inicial de metamorfose com altos teores de umidade e de materiais voláteis e baixo valor calorífico.

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As classes betuminoso, sub-betuminoso e linhito são divididas em cinco, três e duas subclasses, respectivamente. As subclasses do betuminoso são baixo-volátil, médio-volátil e alto-volátil A, B e C; as do sub-betuminoso são A, B e C; e as do linhito são A e B. Subclasses mais baixas são definidas pelo valor calorífico. A Tabela 1 mostra exemplos de características destas classes. Tabela 1 Exemplos de características do carvão

conteúdo (% em peso) valor calorífico

classe carbono umidade voláteis cinza enxofre *

(103 kcal/kg)

antracite 81,8 4,4 4,8 9,0 0,6 7,299

Semi-antracite

75,2 2,8 11,9 10,1 2,2 7,427

betuminoso 39,9 - 65,8

2,3 - 14,8

19,6 - 43,8

3,6 - 12,3

0,6 - 3,0

5,865 - 7,833

Sub-betuminoso

38,4 - 41,0

13,9 - 25,8

31,1 - 34,2

4,3 - 10,9

0,3 - 0,6

4,770 - 5,742

linhito 30,2 36,8 27,8 5,2 0,4 3,869

* Enxofre é parte dos voláteis.

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Notas:

1. Uma outra unidade comum do valor calorífico é BTU/lb; 1 kcal/kg = 1,798 BTU/lb.

2. Há diversas maneiras de definir o valor calorífico dependendo da definição do carvão: carvão minado, carvão lavado, incluir ou não os pesos da cinza, umidade e enxofre. O valor mostrado é do carvão sem materiais minerais.

Composição impureza O componente principal do carvão é o carbono mas, como mostrado na Tabela 1, há diversos outros materiais no carvão. Além do carbono e da cinza, os principais componentes são enxofre, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. As impurezas minerais incluem, além de argila e quartzo, minerais tais como feldspato, garnierita, zircão e topázio. O ponto de fusão da cinza é um critério importante no uso de carvão como combustível (a cinza fundida pode danificar o forno) e varia na faixa aproximada de 870 a 1540 °C. Uma outra impureza importante é o enxofre. Dióxido de enxofre é formado na combustão e, quando liberado no ar, causa poluição atmosférica, reage com a água e forma o ácido sulfúrico, um dos componentes da chuva ácida.

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A cinza é composto de silício, alumínio, ferro, outros elementos metálicos e materiais não-metálicos não-combustíveis e o seu conteúdo no carvão pode ser considerável, como mostra a Tabela 1. A cinza aumenta o peso do carvão, afeta as características de sua combustão, pode danificar o forno e complicar a operação de usinas. Também o tratamento da cinza é um problema considerável, visto a grandeza da sua quantidade. Nos Estados Unidos, por exemplo, cerca de 100 milhões de toneladas de cinza e outros produtos oriundos do uso de carvão são produzidas por ano. A cinza é produzida em três formas: cinza suspensa (CS) que sai do forno junto com o gás de combustão, cinza do fundo (CF) que acumula no fundo do forno, e escória do fundo (EF). Um outro produto da combustão de carvão é o material produzido no processo de remoção do enxofre (RE), a maioria do qual é na forma de sulfato de cálcio hidratado, ou gesso. A cinza e o gesso são recursos valiosos com diversos usos, tais como substituto de cimento na fabricação de concreto, fabricação de placa de parede e estabilizador de aterragem. No caso dos Estados Unidos, em 1999, a quantidade dos materiais produzidos foi de 97,1 milhões de toneladas (Mt), sendo 58,5% CS, 15,8% CF, 2,7% EF, e 23,0% RE. Deste total, 30 Mt foram usados. A cinza suspensa é retirada do gás de combustão por precipitação eletrostática, coletor mecânico, filtro, ou outros meios. Enxofre Enxofre é um elemento comum da crosta da terra e existe em forma de sólido livre, sulfatos de metal como

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PbS, ZnS e FeS2, sulfatos não-metálicos como BaSO4 e CaSO4·2H2O (gipsita ou gesso) e em outras formas, estando presente também em moléculas orgânicas em substâncias como ovos e cabelos. Na forma livre enxofre um sólido amarelo frágil e pode ser encontrado, por exemplo, em volta de crateras de vulcões. Um dos materiais mais familiares contendo enxofre é o gesso usado em construção e na fabricação de placa de parede. Enxofre é usado em diversas outras áreas tais como indústria química, cosmético, fungicida e endurecimento de borracha. Enxofre é uma impureza no carvão com conteúdos variáveis que podem superar 5% em peso. Na combustão do carvão dióxido de enxofre (SO2) é formado e sai do forno junto com o gás de combustão. Dióxido de enxofre na atmosfera causa dificuldades de respiração, doenças respiratórias, agravamento de doenças cardiovasculares e reage com água e diversos outros compostos químicos no ar, formando neblina química e acido sulfúrico (H2SO4) que é um dos agentes da chuva ácida. O ácido sulfúrico é levado pelo vento a grandes distâncias das fontes, causando danos ambientais em grandes áreas. Chuvas ácidas acidificam lagoas, rios, florestas e a terra, causando a morte de peixes, arvores e plantas, e danificam prédios e monumentos. Em usinas termelétricas modernas que queimam carvão, o dióxido de enxofre é retirado do gás de combustão por diversos processos. A lista de 211 processos em 17 categorias e menciona que os mais comuns nos Estados Unidos são processos molhados baseados em cálcio (cal, pedra calcária). Em sistemas que usam a pedra calcária

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(CaCO3) o gás de combustão é passado em tanques contendo pasta de pedra calcária. Enxofre é capturado na forma de gipsita e retido. A taxa de remoção é de 50-90%. A gipsita tem valor comercial, como mencionado anteriormente, sendo uma grande parte vendida no mercado. NOx

Nitrogênio é o componente principal do ar (78% em volume) e se combina com o oxigênio nas altas temperaturas de combustão de combustíveis fósseis, formando o óxido NO que se converte em NO2 na luz solar. Estes compostos se combinam com o oxigênio e a água na atmosfera e formam diversos compostos coletivamente chamados NOx inclusive N2O e N2O3. Uma pequena quantidade de nitrogênio é contida no carvão e contribui na formação dos compostos. Estes compostos reagem com a água e outros compostos químicos no ar, formando o acido nítrico (HNO3) que é um componente da chuva ácida. O composto mais importante é o dióxido de nitrogênio (NO2) que é um dos componentes da neblina química em grandes cidades.

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Gaseificação Diversos materiais combustíveis sólidos baseados em carbono, tais como carvão, biomassa e rejeitos municipais, podem ser convertidos em gás. A transformação ocorre quando o material é aquecido num vaso pressurizado (gaseificador) contendo quantidade controlada de oxigênio (ou ar) e vapor de água. O gás produzido é uma mistura de CO, CO2, CH4 e H2. O gás pode ser purificado e a parte combustível, similar ao gás natural, pode ser queimada numa turbina a gás para gerar

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energia elétrica. Alternadamente, o gás pode ser processado em indústria química para produzir hidrogênio, combustível líquido, diversos compostos químicos e outros produtos. IGCC Sistema integrado de gaseificação e ciclo combinado (Integrated Gasification Combined Cycle System) é o conceito de novas usinas termelétricas que queimam o carvão de maneira limpa e eficiente. Há diversas usinas de demonstração em operação e a tecnologia está amadurecendo para utilização comercial. Um esquema do sistema está apresentado na Figura 1 abaixo .

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(gasifier=geseificador, coal=carvão, air or oxigen=ar ou oxigênio, steam=vapor, limestone=pedra calcária, optional=opcional, hot fuel gas=gás combustível quente, gas cleanup=purificação de gás, clean =gás quente de combustão, air=ar, water=água, flue gas=gás de saída, heat recovery steam generator fuel gas=gás combustível purificado, to gasifier=ao gaseificador, gas turbine=turbina a gás, hot exhaust =gerador de vapor por recuperação de calor, steam turbine=turbina a vapor) Num sistema IGCC o carvão é convertido num combustível gasoso similar ao gás natural. O processo elimina mais de 99% do enxofre e a cinza é retirada no fundo do gaseificador. O gás é queimado numa turbina a gás conectada a um gerador elétrico. O gás de combustão que sai da turbina, ainda a alta temperatura, é usado num gerador de vapor ligado a um turbo-gerador convencional. A eficiência da conversão energética atualmente é de cerca de 45%, comparada a 34% da usina convencional a carvão, sendo esperado chegar-se a 52% em futuro próximo (~2010). A emissão dos gases CO2 e NOx é diminuída de 35% e mais de 90%, respectivamente. O custo capital de construir uma usina IGCC atualmente é de cerca de 1500 dólares por kW, sendo esperado ser reduzido a 1050 dólares por kW em futuro próximo. O custo da eletricidade gerada é comparável atualmente ao da usina convencional, sendo esperado reduzi-lo a 75% do custo atual até o ano 2010.

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A potência de uma unidade atualmente é de 100 a 450 MW, podendo ser maior no futuro à medida do avanço da tecnologia de turbinas a gás. Há uma flexibilidade intrínseca no sistema, de grande interesse no Brasil. Inicialmente pode ser construída uma usina a gás com dois terços da capacidade final. Na segunda etapa pode ser adicionado um sistema a vapor para atingir a capacidade planejada, mas ainda queimando gás. Finalmente o sistema de gaseificação pode ser construído para completar o sistema IGCC baseado em carvão. A crise energética atual mostra a necessidade imediata de aumentar a capacidade nacional de geração elétrica. Uma solução imediata seria a construção de usinas a gás, que poderão ser operadas futuramente queimando o carvão brasileiro. Os locais das usinas precisam ser selecionados tomando esta possibilidade em consideração. Obviamente uma usina IGCC pode ser operada com gás natural como combustível. Carvão brasileiro As reservas do carvão até agora descobertas estão concentradas na região sul do país, principalmente nos Estados de Rio Grande do Sul e de Santa Catarina. A reserva total é de cerca de 32 bilhões de toneladas (Bt), sendo 28,7 Bt no Rio Grande do Sul e 3,3 Bt em Santa Catarina. A qualidade é bem baixa: E citada os números na Tabela 2.

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Tabela 2 Reservas e características do carvão brasileiro. A reserva é em bilhões de toneladas (Bt).

Estado

Reserva (Bt)

Valor calorífico (kcal/kg)

Cinza (%)

Enxofre (%)

Rio Grande do Sul

28,7 2.950 - 3.200

52 - 56 1,3 - 2,5

Santa Catarina

3,3 2.270 - 2.800

58 - 62 4,3 - 4,7

Comparado a carvão americano, Tabela 1, as diferenças mais notáveis são o alto teor da cinza e o baixo valor calorífico. Mais da metade do peso é cinza, comparado ao máximo de 12,3% de cinza na Tabela 1. O valor calorífico do carvão brasileiro é menor que a metade dos valores do carvão americano. O teor de enxofre também é bem alto comparado a maioria do carvão americano. O carvão brasileiro é de baixa qualidade e a sua utilização exige bastante cuidado referente a efeitos ambientais. A utilização dos sistemas IGCC parece ser a melhor maneira de aproveitar o maior recurso energético nacional entre os combustíveis fósseis.

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FONTES DE ENERGIA

FONTES

1 Hidráulicas

(Produzidas em Usinas Hidrelétricas)

37%

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Derivados do Petróleo Gás Engarrafado (GLP)

Gasolina Querozene Óleo Diesel

Óleo Combustível

32%

3 Carvão Vegetal e Lenha 9%

4 Bagaço de Cana 7%

5 Álcool 4%

6 Carvão Mineral 3%

7 Gás Natural 2%

8 Outras Fontes 6%

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Referências

1. McGraw Hill Encyclopaedia of Science and Technology, "coal".

2. Rustu S. Kalyoncu, Coal Combustion Products, American Coal Ash Association, <http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/coal/874499.pdf>.

3. Environmental Aspects, 4. <http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/page/pri

m2/chapter6.html>. 5. Gasification and liquifaction of coal, 6. http://starfire.ne.uiuc.edu/ne201/course/topics/ga

sification_and_liquefaction/>. 7. Gasification technologies, 8. http://www.fe.doe.gov/coal_power/gasification/ind

ex.shtml>. 9. Integrated Gasification Combined Cycle Systems, 10. http://www.siu.edu/~coalctr/integascc.htm>. 11. Tampa Electric Integrated Gasification

Combined-Cycle, <http:/www.lanl.gov/projects/cctc/factsheets/tampa/tampaedemo.html>.

12. Geraldo Milioli, Abordagem ecossistêmica para a mineração: uma perspectiva comparativa para Brasil e Canadá, 8. A indústria de mineração de carvão no Brasil - Idéias para o futuro: o caso de Santa Catalina, <http://www.eps.ufsc.br/teses99/milioli/cap8.html>

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. Instituto de Eletrotécnica e Energia, USP, Estatística nacional, Balanço Energético Nacional 1997,

13. http://infoener.iee.usp.br/estatisticas/estatistica_nac/estatistica_nac.htm>.