Carvão MineralDestilação do Carvão Mineral e do Alcatrão Formação do Carvão Mineral O carvão mineral é formado a partir do soterramento e decomposição de restos materiais de origem vegetal. Gradualmente, estes materiais ao sofrerem soterramento e compactação em bacias de deposição, apresentam enriquecimento no teor de carbono. A idade geológica do carvão mineral brasileiro oscila entre 230 e 280 milhões de anos. Fatores externos, tais como pressão, temperatura e tempo de exposição, determinam o grau de carbonificação destes combustíveis. Durante o período de modificações existe desprendimento de umidade, óxidos de carbono e metano associado ao enriquecimento do carbono. Descoberta do Carvão de Pedra A primeira descoberta do carvão mineral, provavelmente ocorreu na idade da pedra. Alguém tentou queimar arbustos, folhas secas, e para proteger o fogo, cercou de pedras pretas, que se achavam soltas no chão da caverna. Durante a queima dos arbustos, as pequenas pedras pretas mais próximas do fogo, começaram a derreter, soltando fumaça esbranquiçada e depois rolos de fumos marrons alaranjados, e em poucos minutos, começaram as longas labaredas, desprendendo muito calor, mais forte do que o dos arbustos e por período bastante prolongado. Para surpresa do “homem”, após tanta chama desprendida da pedra, ela própria começou a se tornar incandescente, sem pegar fogo, porem desprendia mais calor do que os arbustos, e por muito mais tempo. O carvão mineral é formado a partir do soterramento e decomposição de restos materiais de origem vegetal. Gradualmente, estes materiais ao sofrerem soterramento e compactação em bacias de deposição, apresentam enriquecimento no teor de carbono. Fatores externos, tais como pressão, temperatura e tempo de exposição, determinam o grau de carbonificação destes combustíveis. Durante o período de modificações existe desprendimento de umidade, óxidos de carbono e metano associado ao enriquecimento do carbono. RESERVAS DO BRASIL • No Brasil, as principais reservas de carvão mineral estão situadas nos Estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e São Paulo, em ordem decrescente, São Paulo é a menor. Em milhões de toneladas: • Rio Grande do Sul 20.859 • Santa Catarina 1.941 • Paraná 179 • São Paulo 10 • Total 22.888 Ultimamente, com a descoberta da jazida da Santa Teresinha – RS, o CRPM registra reservas da ordem de 23 bilhões de ton., porem o Brasil importa anualmente 12 milhões de toneladas de carvão siderúrgico, afora o carvão vegetal usado na redução de ferro gusa, nas siderurgias Composição aproximada das diversas etapas de coalificação Estágio Umidade (% total) Carbono (% base seca) Hidrogênio (%base seca) Oxigênio (% base seca) Madeira 20 50 6 42,5 Turfa 90 60 5,5 32,3 Carvão marron 60 a 40 60 a 70 5 >25 Linhito 40 a 20 65 a 75 5 16 a 25 Sub-betuminoso* 20 a 10 75 a 80 4,5 a 5,5 12 a 21 Betuminoso* 10 75 a 90 4,5 a 5,5 5 a 20 Semi-betuminoso* < 5 90 a 92 4,0 a 4,5 4 a 5 Antracito < 5 92 a 94 3,0 a 4,0 3 a 4 * Coqueificáveis. No Brasil, apenas o carvão metalúrgico de SC (sub-betuminoso) é classificado como coqueificável, porém, possui elevado teor de cinzas (18,5%) e de enxofre (1,5%). Lavra É o processo de extração do carvão. Pode ser a céu aberto ou lavra subterrânea. A lavra subterrânea apresenta o risco de explosões devido a presença de bolsões de gás metano. Lavra O processo de lavra a céu aberto inicia-se com a retirada do material estéril que recobre as camadas de carvão (este material é depositado no corte anteriormente lavrado). Após o carvão ter sido exposto, este é desmontado com o emprego de explosivos e transportado até a planta de beneficiamento. Lavra Beneficiamento • O carvão ROM (run of mine) é o minério bruto. • O beneficiamento nas “bocas de mina” consiste de processos que visam a redução da matéria inorgânica existente no carvão. • Consiste de processos de britagem e de lavagem. • No carvão nacional, o rendimento do processo de beneficiamento é de ~ 35%. Beneficiamento Principais produtos carboquímicos Processo de conversão química Produtos e procedimentos Combustão para geração de energia Usinas termelétricas, calor para aquecimento de processos diversos Carbonização ou pirólise do carvão mineral Coque, amônia, aromáticos do alcatrão, BTX Redução e refinação de minérios Ligas de Fe, Al, Mg Eletrotérmico Grafite, eletrodos, abrasivos Outros (hidrogenação, sulfonação, desmetilação) Combustíveis líquidos do processo Fischer-Tropsch Reservas Mundiais, produção e consumo de carvão mineral - 2006 • No final de 2002, as reservas nacionais de carvão giravam em torno de 11 bilhões de toneladas. As principais reservas estão no RS que detém mais de 90% das reservas nacionais. • Baixo poder calorífico • Altos teores de cinza (entre 47% e 58%) • Altos teores de enxofre (1,0% a 4,7%) • Recuperação baixa no processo de beneficiamento (< 35%) • Necessidade de melhorias das tecnologias para aproveitamento Carvão mineral nacional Vendas de Carvão no Brasil – (Ton) Detalhamento das Vendas por Setor de Consumo x Empresa – 2.005 (ton) Pirólise do carvão mineral História • Sabe-se que, há mais de 2000 anos o coque era um antigo comércio entre os chineses, na Idade Média, era usado nas artes, para fins domésticos. Somente em 1620, foi registrado pela primeira vez a produção de coque num forno. Até meados do século XIX, o alcatrão e os produtos do alcatrão eram considerados rejeitos. A síntese do primeiro corante extraído do alcatrão, por Sir William Perkin, em 1856, provocou uma grande demanda de alcatrão, que se tornou um produto comercial de valor crescente. Perkin, com sua descoberta do corante malva (violeta-brilhante), ao tentar sintetizar o quinino pela oxidação da anilina na Inglaterra, lançou os fundamentos da indústria mundial dos corantes do carvão. Em 1792, foi realizada, por William Murdock, a primeira experiência com êxito visando à produção de gás a partir do carvão, com ela foi possível iluminar a gás as ruas de Londres, em 1812. Processos de coqueificação A coqueificação é um processo pelo qual o carvão mineral, ao ser submetido a temperaturas elevadas na ausência de oxigênio, libera gases presentes em sua estrutura, originando um resíduo sólido infusível, que é o coque. Este é um processo químico, na medida em que envolve quebra de moléculas, cujas principais etapas são: - Perda de umidade: Ocorre a temperaturas entre 100ºC e 120ºC e caracteriza-se pela liberação de umidade presente no carvão; - Desvolatização primária: É o primeiro estágio da coqueificação propriamente dita e ocorre entre temperaturas da ordem de 350ºC a 550ºC, com a liberação de hidrocarbonetos pesados e alcatrão; Processos de coqueificação - Fluidez: Ocorre entre 450ºC e 600ºC, quando o material se torna fluido, pastoso, devido ao rompimento das pontes de oxigênio presentes em sua estrutura química; - Inchamento: etapa que ocorre paralelamente à fluidez devido à pressão dos gases difundindo-se na estrutura de microporos do carvão. A intensidade do inchamento será função da velocidade de liberação destes, através da massa fluida. - Resolidificação: ocorre à temperaturas próximas de 700ºC, formando o semi-coque. Determina em grande parte a qualidade do coque, uma vez que uma resolidificação sem formação de fissuras originará um produto de elevada resistência mecânica; -Desvolatização secundária: última fase do processo, ocorre na faixa situada entre 850ºC e 1300ºC com eliminação sobretudo de hidrogênio. Produção do coque A coqueificação é o processo de aquecimento de carvão, obtendo-se como resultado, um resíduo sólido, poroso, juntamente com a evolução de certo número de produtos voláteis que escapam da câmara de coqueificação. As operações de uma coqueria se resumem em: • Carregamento • Coqueificação, • Descarregamento • Apagamento • Expedição. Coqueificação Uma vez carregada, a mistura começará imediatamente a sofrer as transformações químicas, já descritas, que proverão o aparecimento do coque metalúrgico. O processo ocorre na ausência de oxigênio para evitar a combustão da mistura de carvões. O calor necessário para a coqueificação é fornecido por condução através das paredes dos fornos (fabricadas com material refratário de sílica e sílico-alumínio de alta qualidade) proveniente da combustão de gases em câmaras intercaladas àqueles. Coqueificação Apagamento Ao ser desenfornado, o coque incandescente (1200º C) é descarregado no interior de um carro de apagamento, que se locomove em trilhos dispostos na lateral da coqueria. Este carro conduz o material até a estação de apagamento, o qual é feito por intermédio de jatos d’agua (Usiminas) ou à seco (CST). Ao sair do apagamento, o coque é levado à estação de peneiramento para classificação granulométrica. Os pedaços maiores do que 100mm são quebrados em moinhos de rolos. O coque que passou pela primeira peneira e o britado passam por uma segunda peneira de 50mm e é levado até os silos para alimentação do alto-forno. Produtos da pirólise do carvão mineral • Fração gasosa: gás de hulha • Frações líquidas: águas amoniacais e alcatrão de hulha • Fração sólida: coque Pirólise do carvão mineral Carbonização do carvão mineral Gás de carvão (H2, CH4, CO) Licor amoniacal Óleo leve Coque Alcatrão Amônia Benzeno Tolueno Xilenos Fenóis Naftalenos Bases piridinicas Antraceno Fluxograma do processo Coqueificação Alto-forno Coletor principal Pulverização com solução diluída de amônia Tanque de decantação Saturador Tanques de armazenamento de alcatrão gás gases e líquidos líquidos Extrator de alcatrão fração amoniacal alcatrão alcatrão gás Sulfato de amônio Condensador Naftaleno Lavador de óleos leves Óleos leves Extração de S Processamen- to do alcatrão Produção aproximada de derivados por ton. de carvão Produto Kg Coque 715,1 Moinha de coque 46,5 Alcatrão 39,0 Sulfato de amônio 8,9 (2,4 Kg de amônia) Óleo leve (removido por lavagem) 8,9 Gás 175,0 Alcatrão Vegetal • O Alcatrão Vegetal é obtido a partir da queima do carvão vegetal através de vários procedimentos que vão dos mais simples até os mais complexos sistemas de destilação. Da queima do carvão vegetal temos como resíduo uma fumaça e desta fumaça obtém-se o Alcatrão Vegetal. O Alcatrão Vegetal apresenta-se como uma substância espessa, algumas vezes xaroposa de cor escura que varia do castanho ao negro, com forte odor característico. Utilização do Alcatrão • Uma das inúmeras aplicações do Alcatrão Vegetal é que podemos utilizá-lo como simulador de aroma de defumação. Sua utilização é muito vantajosa, pois substitui a utilização de produtos cancerígenos que normalmente são utilizados para este fim. O Alcatrão Vegetal pode ser utilizado na defumação de salgados, embutidos, carnes entre outros. O Alcatrão Vegetal pode ser aplicado em várias finalidades, entre elas: uso veterinário, farmacêutico, indústria química, fabricação de espumas de poliuretano. Entre seus efeitos podemos citar: anti- séptico, antiparasitária, anti-seborréico, germicida, antipruginoso, queratoplástico, protetor e repelente de insetos. Alcatrão de hulha • Mistura de compostos químicos, na sua maioria aromáticos. • A quantidade de alcatrão varia de 30 a 80 l/ton de carvão. • O produto residual da destilação do alcatrão é o piche (> 60% do alcatrão bruto). Destilação do alcatrão • Óleos leves (até 199ºC). BTX • Óleos médios ou de creosoto: fração entre 200ºC e 249ºC). Contém naftaleno, fenol e cresóis. • Óleos pesados constituem a fração entre 250ºC e 299ºC. • Óleo de antraceno. Constitui a fração entre 300ºC e 399º. Composição do alcatrão Quantos descendentes tem um pedaço de carvão?
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