AVALIAÇÃO TECNOLÓGICA PARA EMPREGO DO CARVÃO

DA CAMADA BONITO NA GERAÇÃO TERMELÉTRICA E

APROVEITAMENTO ATRAVÉS DE TECNOLOGIAS LIMPAS

Luciane Garavaglia1, Luciano D. Biléssimo

2, Cléber J. B. Gomes

3

1SATC - Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina/CTCL – Centro Tecnológico

de Carvão Limpo. Rua Pascoal Meller, 73. Universitário. Criciúma/SC. CEP 88805-380. Tel. (48) 3431-

7608/Fax. (48) 3431-7650.

E-mail: luciane.garavaglia@satc.edu.br 2SATC - Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina/Faculdade SATC. Rua

Pascoal Meller, 73. Universitário. Criciúma/SC. CEP 88805-380. Tel. (48) 3431-7501/Fax. (48) 3431-

7580. 3SIECESC – Sindicato da Extração de Carvão do Estado de Santa Catarina. Rua Pascoal Meller, 73.

Universitário. Criciúma/SC. CEP 88805-380. Tel. (48) 3431-7600/Fax. (48) 3431-7650.

RESUMO

A Camada Bonito assume atualmente grande importância para a região carbonífera de

Santa Catarina, pois abriga as maiores reservas remanescentes e o maior potencial

futuro para a geração térmica e o aproveitamento através de tecnologias limpas. O

carvão ocorre em duas áreas, norte e sul, cuja reserva in situ está em torno de 2.360 x

106 t. As reservas englobadas na área sul não são conhecidas em todo seu potencial,

tendo em vista ainda não existirem minas em atividade e as informações disponíveis

provêm de sondagens No entanto, o carvão da Área sul possui melhor qualidade que o

da área norte, apresentando maior rendimento e produtos com menor teor de enxofre.

Na área norte o emprego de novas tecnologias aplicadas nas usinas de beneficiamento,

permitem a obtenção de carvão energético diretamente das plantas, sem a necessidade

de blendagem com carvões de outras fontes. Os resultados obtidos para o carvão Bonito

da Área norte, mostram que a temperatura de fusão das suas cinzas é inferior à

temperatura praticada nas caldeiras do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda. Os perfis

de combustão dos carvões beneficiados das camadas Bonito e Barro Branco são

aproximadamente simétricos, refletindo pequenas diferenças na composição dos

carvões. Esse comportamento similar com relação à reatividade ao ar mostra que o

carvão Bonito possui uma amplitude do intervalo de queima menor, conferindo uma

reatividade maior. Para o emprego dessa camada na geração termelétrica se fazem

necessários estudos dos procedimentos de queima a uma temperatura inferior e a

realização de pesquisas referentes à adaptação dos equipamentos existentes, ou até o

desenvolvimento de uma nova unidade produtiva. Por outro lado, a necessidade de

aquisição de dados e obtenção de amostras para a área sul é determinante para a

caracterização da Camada Bonito em termos de representatividade e importância

econômica em toda a bacia carbonífera.

PALAVRAS-CHAVE: Bacia Carbonífera de Santa Catarina, Carvão Bonito,

Fusibilidade das cinzas, Reatividade.

1. INTRODUÇÃO

O carvão, como fonte energética, comparativamente a outras fontes, é o

combustível mais abundante e acessível devido ao baixo custo, menor risco de variações

de preço e de interrupção de suprimento, além de ganhos de eficiência nas usinas

termelétricas com o uso de tecnologias limpas.

A formação e a qualidade do carvão são dependentes de vários fatores, como a

natureza da matéria vegetal, do clima da época de formação, da localização geográfica e

da evolução geológica da região onde é encontrado. A formação do carvão é também

limitada pelas regressões e transgressões marinhas, pela deposição sedimentar e pelas

transformações físico-químicas (Monteiro, 2004). Os restos de vegetais encobertos por

sedimentos em regiões pantanosas sofrem a ação de processos bioquímicos produzidos

por bactérias, microorganismos e fungos. Inicialmente, atuam as bactérias aeróbias e, à

medida que o oxigênio vai diminuindo, surgem às bactérias anaeróbias. Nessas

condições, os constituintes residuais dos vegetais, tais como a celulose, proteínas,

resinas, ceras, gorduras e pigmentos, são lentamente transformados em polímeros,

monômeros e outros compostos formadores da turfa.

As jazidas de carvão brasileiras estão localizadas na Bacia do Paraná que

constitui uma grande bacia intracratônica disposta na parte central-leste da Plataforma

Sul-Americana que corresponde à unidade geotectônica do sudoeste do Supercontinente

Gondwana (Kalkreuth, et al., 2006). O preenchimento sedimentar da bacia foi dividido

em seis seqüências deposicionais, desde o Ordoviciano-Siluriano até o Cretáceo

Superior. Os estratos onde o carvão ocorre correspondem à unidade litoestratigráfica

denominada de Formação Rio Bonito (Grupo Guatá), localizada na base da terceira

seqüência do Gondwana (idade Carbonífera/Triássico Inferior), que constitui espessas

seqüências sedimentares, atingindo 2.800 m no depocentro da bacia (Milani et al.,

2004). Os sedimentos da Formação Rio Bonito foram depositados entre 262 e 258 Ma,

correspondendo ao intervalo Artinskiano/Kunguriano, do Permiano Inferior. As

camadas de carvão têm características que são indicativas de uma origem límnico-

telmática, onde o material acumulado é constituído por pteridófitas e plantas herbáceas

(Glossopteris e Gangmopteris) acumuladas depois de algum transporte, resultando em

camadas de carvão hipoautóctones ricas em inertinita (Corrêa da Silva, 2004).

A parcela mais relevante da disponibilidade de recursos de carvão no Brasil

está concentrada nos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul, onde este último

possui a maior participação, com aproximadamente 99% do total. As porcentagens

referentes aos estados do Paraná e São Paulo são praticamente irrelevantes, sendo elas

0,02% e 0,012% respectivamente (MCT, 2010). De acordo com os dados do DNPM

(Departamento Nacional de Produção Mineral) o recurso mineral total das jazidas

brasileiras de carvão é da ordem de 32 bilhões, que se medidos em tep, significam cerca

de 60% da energia fóssil do Brasil. Por outro lado, a produção total de carvão ROM

(run of mine) é de 11,38 milhões de toneladas, distribuídas em 14 empresas produtoras,

sendo uma empresa no Paraná, 11 empresas em Santa Catarina e 3 empresas atuando no

Rio Grande do Sul.

A Bacia Carbonífera de Santa Catarina é uma das jazidas mais importantes,

pois encerra as maiores reservas de carvão coqueificável economicamente exploráveis

do território nacional. Situa-se no flanco sudeste do estado, estendendo-se desde o sul

de Araranguá até Lauro Müller, numa faixa com direção norte-sul com

aproximadamente 100 km de comprimento e uma largura média de 20 km. O carvão,

nessa região, foi descoberto em 1822, porém somente em 1880 foram abertas as

primeiras minas. As camadas de carvão mais importantes da Bacia Carbonífera Sul-

Catarinense se encontram na parte superior da Formação Rio Bonito, mais precisamente

no Membro Siderópolis (Krebs, 2004).

A jazida de carvão Sul-Catarinense é constituída pelos municípios pertencentes

à Associação dos Municípios da Região Carbonífera (AMREC). São eles, Criciúma,

Forquilhinha, Içara, Lauro Müller, Morro da Fumaça, Nova Veneza, Siderópolis,

Treviso, Urussanga e Cocal do Sul. Atualmente, os municípios da AMREC possuem

cerca 27,3% das jazidas de carvão existentes no Brasil.

2. RESERVAS DE CARVÃO DA CAMADA BONITO

A camada de carvão Bonito assume atualmente o primeiro lugar em

importância na região, tendo vista que abriga as maiores reservas remanescentes e

consequentemente o maior potencial futuro. Além disso, apresenta em geral espessura

superior à da Camada Barro Branco e superposição de outras camadas potencialmente

úteis, no entanto é composta por carvão de alta cinza, extremamente interestratificado

com siltito carbonoso e de difícil lavabilidade, ocorrendo em 2 áreas da Bacia

Carbonífera de Santa Catarina: a Área norte englobando parte dos municípios de

Orleans, Lauro Müller, Treviso, Urussanga e Siderópolis, e a Área sul que abrange a

maior parte dos municípios de Morro da Fumaça, Criciúma, Içara, Araranguá e

Jaguaruna.

No sul da bacia carbonífera a Camada Bonito apresenta um perfil estratigráfico

diferente daquele verificado ao norte, pois ocorre um adelgaçamento da camada, além

da sua divisão em quatro sub-leitos, a saber: Bonito Superior, Bonito Inferior (leito

principal), Pré-Bonito Superior e Pré-Bonito Inferior.

Além das camadas Barro Branco e Bonito, de maior expressão lateral, ocorrem

ainda no perfil típico regional, a Camada Irapuá, errática, mas que possui valor

econômico devido à boa qualidade do seu carvão, e as camadas Ponte Alta, Camada

“A” e Camada “B”, as quais em geral, não apresentam interesse econômico, por

possuírem pequena potência, com espessuras geralmente inferiores a 1 metro. O

aproveitamento futuro destas camadas pode ser viabilizado com o detalhamento da

pesquisa em locais específicos como é o caso da mina Novo Horizonte pertencente à

Indústria Carbonífera Rio Deserto, que minera a Camada Bonito Superior.

As informações disponíveis para a cubagem do carvão da Camada Bonito

respeitam as restrições geométricas impostas pelo JORC (Joint Ore Reserves

Committee) sendo que a maior parte dos recursos pode ser classificada como medida e

indicada (Tab. I).

Área Hectares Espessura média

(m)

Densidade média

(t/m3)

t in situ Camada

Sul 30,671.60 2.0 2.0 1,226,864,000 Bonito

Inferior

Norte 22,680.52 2.5 2.0 1,134,026,000 Bonito

Total 53,352.12

2,360,890,000

Tabela I. Recursos in situ na camada de carvão Bonito (medidos, indicados e inferidos).

As características do carvão dessas 2 áreas, norte e sul, são ligeiramente

diferentes. O carvão da Área sul possui melhor qualidade que o da Área norte,

apresentando maior rendimento de produtos com menor teor de enxofre.

Tecnologias atualmente aplicadas nas usinas de beneficiamento de carvão das

mineradoras permitem facilmente levar à obtenção de carvão energético, ou seja, CE

4500, diretamente das plantas sem a necessidade de blendagem com carvões de outras

fontes. É o caso da Indústria Carbonífera Rio Deserto em sua Mina Cruz de Malta, onde

está sendo utilizada a tecnologia de ciclones a meio-denso, semelhante àquela usada no

lavador de Capivari até 1990, para a obtenção do carvão metalúrgico com 18% de

cinzas.

2.1. Minas em Operação na Camada Bonito

Atualmente operam na Camada Bonito as minas: Bonito I da Carbonífera

Catarinense S.A., Lauro Müller da Carbonífera Belluno Ltda., Cruz de Malta da

Indústria Carbonífera Rio Deserto S.A. e Fontanella da Carbonífera Metropolitana S.A.,

todas na área norte do jazimento. Também nesta área já se encontram paralisadas

definitivamente as minas Barro Branco I, II e III da Indústria Carbonífera Rio Deserto.

Na área sul opera atualmente a Mina Novo Horizonte na camada Bonito Superior e

encontra-se em implantação a Mina 101, que deverá lavrar as camadas Barro Branco e

Bonito Inferior, ambas da Indústria Carbonífera Rio Deserto S.A.

A maior parte das informações disponíveis para a Camada Bonito provém de

dados obtidos a partir de sondagens com a obtenção de testemunhos, em diversos

projetos realizados pela CPRM, pelas empresas carboníferas ou por prestadores de

serviço por eles contratados (Tab. II).

Empresa Mina Área Número Analisados OBS.

Metropolitana Fontanella Norte 367 117 Bonito

Catarinense Bonito I Norte 98 62 Bonito

Rio Deserto Cruz de Malta Norte 27

Bonito

Belluno Lauro Müller Norte 17 17 Bonito

CPRM Diversas Norte 203 Bonito

CPRM Diversas Norte 10 Pré-Bonito

Total 722

Tabela II. Furos de sondagem existentes na Área Norte, separados por empresa.

Ao longo dos anos, muitas campanhas de sondagem foram executadas na

porção sul por diversos interessados. Os dados existentes se encontram dispersos à

espera de um trabalho de compilação, consistência e avaliação do grau de

confiabilidade, bem como sua real utilidade. Na verdade há uma quantidade

significativa de sondagens já realizadas, sendo, portanto recomendável uma

reinterpretação detalhada dos dados existentes, à luz dos conhecimentos e tecnologias

atuais, visando à avaliação do potencial dessas reservas. A partir dessa análise poderá

eventualmente ser elaborada uma nova campanha de sondagem, no sentido de preencher

eventuais lacunas existentes e confirmação de tendências para o aprofundamento e

consolidação do estudo.

As análises hoje á disposição apontam para carvões de boa qualidade,

indicando inclusive a possibilidade, de que seja superior em qualidade aos carvões da

Camada Bonito da Área norte.

A grande diferença em termos de jazimento, que pode de imediato ser

constatada, é o aumento da espessura do estéril que separa os leitos inferior e superior

da Camada Bonito na área sul e sua gradação para rochas mais consistentes

predominantemente arenosas. Esta característica impossibilita a lavra simultânea de

ambos os leitos, tornando-se viável na maior parte da área, somente a lavra da camada

Bonito Inferior. No entanto, de acordo com os dados disponíveis, a qualidade do carvão

da camada Bonito Superior é muito boa, o que justifica também um estudo mais

aprofundado, visando verificar até que ponto pode ser viável o aproveitamento

econômico também dessa porção.

Atualmente temos à disposição 266 furos de sondagem já realizados na área sul

conforme mostra a tabela III.

Empresa Mina Área Número Analisados OBS.

Rio Deserto Novo Horizonte Sul 62 4 Bonito Superior

Rio Deserto 101 Sul 58 8 Bonito Inferior

Nova Próspera D+E Sul 17 17 Bonito Inferior

CPRM Diversas Sul 115 Pré Bonito

CPRM Diversas Sul 14 Bonito

Total 266

Tabela III. Furos de sondagem existentes na área sul, separados por empresa.

3. METODOLOGIA

A metodologia utilizada consiste na aplicação de diferentes técnicas de estudo,

no intuito de compreender e integrar os diversos aspectos da geologia da camada de

carvão Bonito na região estudada. As técnicas utilizadas possibilitam a obtenção de uma

visão global acerca da qualidade do carvão nos seus aspectos físicos, químicos e

petrográficos, tendo como base amostras representativas da camada de carvão, coletadas

em minas subterrâneas ativas.

A coleta das amostras seguiu a norma NBR 8291 (ABNT, 1983). A

amostragem de carvão foi realizada em mina subterrânea e em correia transportadora. A

alíquota retirada do subsolo foi composta por diferentes percentagens provenientes de

frentes e/ou painéis de lavra, ativos no dia da coleta, enquanto a amostragem em correia

transportadora considerou o lote lavrado como uma amostra representativa da

tonelagem de carvão explotada.

As análises petrográficas, bem como a preparação do plug e seção polida,

foram realizadas no Laboratório de Carvão e Rochas Geradoras de Petróleo do Instituto

de Geociências/UFRGS. A preparação das amostras para as análises óticas foi feita de

acordo com os procedimentos padronizados de Bustin et al. (1989). A determinação

ótica dos grupos de macerais, sua distinção e o conteúdo de matéria mineral, segue a

classificação adotada pelo ICCP (International Committee of Coal and Organic

Petrology). O rank foi determinado através das medidas do poder refletor da vitrinita

(ISO 7405-5; 1984). As análises químicas foram realizadas conforme os procedimentos

padronizados pela U.S. Geological Survey que aplica a normatização ASTM (American

Standardization of Testing Materials).

As amostras da Camada Bonito foram todas coletadas na Área norte da bacia

carbonífera. Já o carvão da Camada Barro Branco foi amostrado nas áreas norte e sul.

Para o carvão ROM da camada Bonito foram coletadas amostras representativas de até

600 kg cada, de 3 minas: Mina Bonito I da Carbonífera Catarinense S.A., Mina

Fontanella da Carbonífera Metropolitana S.A. e Mina Lauro Müller da Carbonífera

Belluno Ltda. A coleta foi realizada pelo LAEC. Também foi analisado o carvão ROM

da Mina Cruz de Malta da Indústria Carbonífera Rio Deserto, através de amostra

enviada pela carbonífera. As amostras de carvão Bonito beneficiado foram também

coletadas pelo LAEC nos lavadores das minas Bonito I (Carbonífera Catarinense S.A.)

e Fontanella (Carbonífera Metropolitana S.A.). Completando as amostras, há ainda uma

amostra de carvão beneficiado proveniente do lavador da Mina Cruz de Malta (Indústria

Carbonífera Rio Deserto), coletada pela carbonífera. As amostras consideradas e sua

proveniência estão mostradas na tabela IV.

Am. Tipo Empresa Mina Camada CT

(m) Localização

1641 ROM

Carbonífera

Catarinense

Bonito I Bonito Inf. 2,40 E 655800/N 6858920 1030 ROM

1658 Beneficiado

178 ROM 3G Barro Branco 3,22 E 649203/N 6857613

1659 Beneficiado

3691 ROM Carbonífera

Metropolitana Fontanella Bonito Inf. 2,80 E 650430/N 6847180

1816 Beneficiado

1486 ROM Carbonífera Belluno Lauro Müller Bonito Inf. 3,10 E 654677/N 6857836

1865 ROM* Ind. Carbonífera Rio

Deserto Cruz de Malta Bonito Inf. 3,60

1865 Benef. *

1541 Amostra de

Canal Carbonífera

Criciúma Verdinho - UM II Barro Branco 1,70

Eixo SE2- Tr. 24

179 ROM E 650710/N 6816119

Tabela IV. Amostras de carvão analisadas, das camadas Bonito e Barro Branco. ROM = Run of mine. CT

= Camada Total. *Coletada pela empresa.

A apresentação dos dados de caracterização química das amostras de carvões

ROM e beneficiado foi realizada considerando base seca (b.s.) para as análises

imediatas e elementares, à exceção das determinações de umidade total que foram

realizadas como recebida, ou seja, as received base. Por outro lado, a apresentação dos

resultados da análise química das cinzas, tanto para elementos maiores quanto

elementos traços, foram recalculados para a base livre de cinzas, ou seja, dry, ash-free

(d.a.f.).

Para os testes de combustão ao ar e reatividade ao CO2 as amostras dos carvões

das camadas Bonito e Barro Branco foram preparadas conforme a norma D 2013

(ASTM, 2007) até a obtenção de uma subamostra com granulometria de <60 mesh.

Nessa granulometria foram preparadas as misturas selecionadas. Todas as amostras

(carvões e misturas) foram então, cominuídas em gral de ágata, até à granulometria dos

testes termogravimétricos em TGA, ou seja, 100 % das amostras na granulometria <200

mesh (75 µm). Os equipamentos utilizados para a realização da análise

termogravimétrica, ou seja, testes de combustão e de reatividade do carbono ao CO2

foram uma termobalança Nestzsch, modelo STA 409PC, forno resistivo, balança

analítica, painel de controle e sistema de aquisição de dados e um cadinho tipo prato de

alumina, de 17 mm de diâmetro. A massa de cada amostra analisada é de 30,0+0,5 mg.

4. RESULTADOS OBTIDOS

Os resultados obtidos para a camada de carvão Barro Branco serão

comentados, apenas quando relevantes, pois são utilizados para fins de comparação.

4.1. Composição Petrográfica

São observadas para a camada de carvão Bonito uma variação no poder refletor

da vitrinita e, consequentemente, diferenças quanto ao rank ou grau de carbonificação

do carvão para as amostras analisadas. Para o carvão ROM obteve-se valores médios de

reflectância da vitrinita (Rramdom – Rr%) da ordem de 0,67 (Tab. V) até 1,23 Rr%

(Tab. VI), correspondendo ao rank ASTM de carvões betuminosos alto volátil B e

betuminosos médio volátil, respectivamente.

Tabela V. Análise petrográfica das amostras de carvão das camadas Bonito e Barro Branco.

n.d. = Não determinado; ROM = Run of Mine; Benef. = Beneficiado; ASTM = American Society Testing

and Materials; BAV A = Betuminoso Alto Volátil A; BAV B = Betuminoso Alto Volátil B; BAV C =

Betuminoso Alto Volátil C; BMV = Betuminoso Médio Volátil.

Os valores mais elevados de Rr da tabela VI foram observados na Mina Cruz

de Malta, tanto para o carvão ROM, quanto beneficiado, correspondendo a um carvão

de alto rank. Na área da mina onde a mineração se desenvolveu, a cobertura do maciço

rochoso chega até 240 m e ocorre a presença de diques de diabásio, que cortam e/ou

estão próximos das camadas de carvão. Os altos valores encontrados de reflectância da

vitrinita podem estar relacionados a alterações térmicas ocasionadas pela presença dos

diques. Esse fato pode ser também corroborado pela grande variação nos valores da

reflectância da vitrinita desde 0,5 até 2,6 Rr %.

A grande variação dos valores de reflectância da vitrinita, em termos de seu

conteúdo de macerais, observada nas amostras da tabela VI são tratadas como misturas

de carvões com características petrográficas distintas. A análise petrográfica dessas

misturas segue o preconizado pelo ICCP, modificado por Suárez-Ruiz (2004), que

identifica os macerais em grupos com baixos, médios e altos valores de reflectância, e

também a matéria orgânica não associada.

A composição petrográfica em termos de macerais e matéria mineral das

amostras analisadas mostra que a matéria orgânica é dominada pelos macerais do grupo

da inertinita (entre 23,6 e 35,0 Vol. %), sendo mais comum a presença de semifusinita e

inertodetrinita. Os macerais do grupo da vitrinita compreendem valores entre 6,8 e 21,0

Vol. %. Já, os macerais do grupo da liptinita compreendem valores entre 5,4 e 11,6 Vol.

Camada

N° Amostra 1641 1030 3691 1486 1658 178 179 1659

Origem ROM ROM ROM ROM Benef. ROM ROM Benef.

Colotelinita 8,6 0,4 8,4 1,2 1 22,8 9 5,2

Desmocolinita 8,8 4,4 4,4 9,8 5,6 29 15,4 24,8

Vitrodetrinita 2 2 8,2 5,6 3,6 0,8 1 4,8

Vitrinita Total 19,4 6,8 21 16,6 10,2 52,6 25,4 34,8

Cutinita 4,6 3,2 3,6 0 0 0,4 0 0

Esporinita 4,6 2,2 0,4 6,8 13,2 4 0,2 12,8

Liptodetrinita 2,4 1 1,4 0 2,2 0 0 1,4

Resinita 0 0 0 0 0 0 0,2 0,2

Liptinita Total 11,6 6,4 5,4 6,8 15,4 4,4 0,4 14,4

Fusinita 9,8 5,4 3 12 25,8 12,4 14,6 11,4

Semifusinita 15,2 3,6 6 3,8 3,8 5,5 5 3,6

Inertodetrinita 9,2 16,6 16,8 7,8 13 5,8 3,4 10,2

Macrinita 0,8 0 0 0 0 0 0 0

Secretinita 0 0,4 0 0 0 0 0 0

Inertinita Total 35 26 25,8 23,6 42,6 23,7 23 25,2

Carbonato 0,4 0 0,4 0 0 0,3 0 0

Argila 26,8 37,4 40,6 46 28 7,6 35,4 3

Pirita 6,8 21,4 6 5,2 1,4 9,6 14,6 21,6

Quartzo 0 2 0,8 1,8 2,4 1,8 1,2 1

M. Mineral Total 34 60,8 47,8 53 31,8 19,3 51,2 25,6

Rr (%) 0,85 0,67 0,75 0,67 0,69 0,64 1,21 0,58

ASTM Rank BAV A BAV B BAV B BAV B BAV B BAV C BMV BAV C

Bonito Barro Branco

%. O conteúdo de matéria mineral é representado pela ampla predominância de argila,

atingindo 46,0 Vol. % na amostra 1486, sobre a pirita, o quartzo e o carbonato (Tab. V).

Tabela VI. Análise petrográfica das amostras de carvão da camada Bonito com altos valores da

reflectância da vitrinita.

VfC-1 = Vitrinita de baixa reflectância; LfC-1 = Liptinita associada com vitrinita de baixa reflectância;

IfC-1 = Inertinita associada com vitrinita de baixa reflectância; MMfC-1 = Matéria mineral associada

com vitrinita de baixa reflectância; VfC-2 = Vitrinita com média reflectância; LfC-2 = Liptinita associada

com vitrinita de média reflectância; IfC-2 = Inertinita associada com vitrinita de média reflectância;

MMfC-2 = Matéria mineral associada com vitrinita de média reflectância; VfC-3 = Vitrinita de alta

reflectância; LfC-3 = Liptinita associada com vitrinita de alta reflectância; IfC-3 = Inertinita associada

com vitrinita de alta reflectância; MMfC-3 = Matéria mineral associada com vitrinita de alta reflectância;

LfC-n = Liptinita não-associada com vitrinita; IfC-n = Inertinita não-associada com vitrinita; MMfC-n =

Matéria mineral não-associada com vitrinita.

De modo geral, a associação mais comum entre os diferentes grupos de

macerais e matéria mineral das amostras de carvão ROM analisadas é representada por

microlitotipos monomacerálicos do tipo inertita, vitrita e liptita. A figura 1c mostra a

inertinita com estrutura botânica bem preservada. Os microlitotipos bimacerálicos mais

comuns são a associação entre inertita e liptinita, vitrinita e inertinita (Fig. 1e) e,

vitrinita e liptinita. As trimaceritas compreendem a intercalação de vitrinita, inertinita e

liptinita (Figs. 1a-b). Os minerais são em geral, carbominerita, carboargilita e pirita

(Fig. 1d). A pirita ocorre principalmente na forma de agregados framboidais e nódulos

maiores, conforme observado por Costa Brava (1972).

4.2. Caracterização Química

O carvão ROM da Mina Bonito I (am. 1641 e 1030) é betuminoso alto volátil

B a alto volátil A (Rr = 0,67 a 0,85% e poder calorífico superior = 2799 a 2966 kcal/kg,

respectivamente), com alto conteúdo de cinza (61,76 a 63, 88%) e enxofre (4,59%). O

carvão ROM da Mina Fontanella é betuminoso alto volátil B (Rr = 0,75% e poder

calorífico superior = 3106 kcal/kg), com alto conteúdo de cinza (60,45%) e enxofre

(4,69%). E, o carvão ROM da Mina Lauro Müller é betuminoso alto volátil B (Rr =

0,67% e poder calorífico superior = 2614 kcal/kg), com alto conteúdo de cinza

N° Amostra 1865 1816 1866

Origem ROM

Rr (%) 1,23 0,85 1,24

VfC-1 9,8 22,8 10,8

LfC-1 0,0 6,8 0,2

IfC-1 3,6 18,0 6,4

MMfC-1 15,8 22,4 10,2

Total Grupo 1 29,2 70,0 27,6

VfC-2 3,8 1,4 1,6

LfC-2 0,0 1,4 0,0

IfC-2 2,4 3,8 1,2

MMfC-2 4,2 3,8 0,4

Total Grupo 2 10,4 10,4 3,2

VfC-3 0,4 0,0 0,0

LfC-3 0,0 0,0 0,0

IfC-3 0,6 0,0 0,0

MMfC-3 0,2 0,0 0,0

Total Grupo 3 1,2 0,0 0,0

LfC-n 0,0 1,2 0,0

IfC-n 7,2 11,6 35,6

MMfC-n 52,0 6,8 33,6

Total Não-Associado 59,2 19,6 69,2

Benef.

(64,03%) e enxofre (4,40%) (Tab. VII). De acordo com a Classificação Internacional

todas as amostras são classificadas como rocha carbonosa, pois os valores de cinza são

maiores do que 50% (UM-ECE, 1998). As amostras de carvão beneficiado analisadas

mostram teores de cinza variando entre 43,18 e 48,70%, com poder calorífico superior

entre 3896 e 4768 kcal/kg (Tab. VII).

Figura 1. Associação de microlitotipos e composição dos macerais da amostra 1030. a-b) Microlitotipo

trimacerálico mostrando a intercalação entre inertinita (I), liptinita (L) e vitrinita (V), associado com

agregado de pirita framboidal (Py) em a. c) Partícula de fusinita (Fs) mostrando estrutura botânica bem

preservada. d) Matéria mineral composta predominantemente por argila (Ar) e pitita (Py), associada com

matéria orgânica. e) Associação bimacerálica entre vitrinita (V) e esporinita (Es). f) Esporinita de e

mostrando fluorescência.

A análise elementar do carvão da Camada Bonito mostra teores de C que

variam de 26,15% a 29,45%; o conteúdo de H está entre 1,88 e 2,11%; já, os teores de

N estão entre 0,49 e 0,61%; e, o percentual de O está entre 1,08 e 3,15%. Os teores de

enxofre total estão entre 3,90 e 4,69%, e são considerados altos. Porém, a análise das

formas de enxofre exibe teores significativos de enxofre pirítico com valores da ordem

de 2,78 a 4,53%; enquanto que os teores de enxofre sulfático e orgânico não

ultrapassam 0,08% e 1,45%, respectivamente (Tab. VII). Para os carvões beneficiados

os teores de C são da ordem de 42,62 a 50,02% (Tab. VII). Para o enxofre total os

valores variam de 2,10 a 2,29%, com teores de enxofre pirítico da ordem de 1,09 a

1,90%.

Tabela VII. Características físico-químicas das amostras de carvão das camadas Bonito (BO) e Barro Branco (BB), ROM e beneficiado.

ROM - Run of mine; Benef. - Carvão Beneficiado; Am. Canal - Amostra de Canal; M.V. - Matéria Volátil; C.F. - Carbono Fixo; S Py – Enxofre Pirítico; S Sulf. – Enxofre

Sulfático; S Org. – Enxofre Orgânico; PCS - Poder Calorífico Superior; PCI - Poder Calorífico Inferior; FSI - Índice de livre inchamento; HGI - Índice de moabilidade;

*Umidade estimada.

Cinza M.V. C.F. H C N O* S Total S Py S Sulf. S Org. PCS PCI

Total Higrosc. (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (kcal/kg) (kcal/kg)

1641 2,93 1,82 61,76 14,69 23,55 2,11 27,90 0,49 3,15 4,59 4,53 0,04 0,02 2966 2464 1,0 72

1030 4,30 1,61 63,88 14,53 21,59 n.d. n.d. n.d. n.d. 3,90 3,57 0,04 0,29 2799 n.d. 0,5 66

3691 4,24 1,45 60,45 14,68 24,87 2,10 29,45 0,52 2,79 4,69 4,27 0,08 0,34 3102 2572 1,0 60

1486 7,27 1,70 64,03 15,91 20,06 2,06 26,15 0,53 2,83 4,40 3,89 0,02 0,49 2614 2022 1,0 64

1865 10,00* 1,91 63,92 9,88 26,20 1,88 28,28 0,61 1,08 4,23 2,78 0,00 1,45 2688 2071 0,0 n.d.

1866 10,00* 1,56 44,38 11,36 44,26 2,63 49,25 0,92 0,72 2,10 1,09 0,01 1,00 4562 3790 0,0 n.d.

1658 10,00* 1,57 48,70 18,49 32,81 2,79 42,62 0,76 2,84 2,29 1,90 0,01 0,38 3896 3091 1,0 n.d.

1816 10,00* 1,08 43,18 19,10 37,72 3,08 50,02 0,88 0,70 2,14 1,15 0,01 0,98 4768 3904 1,0 n.d.

178 3,82 1,74 69,43 15,72 14,85 2,72 42,33 0,80 1,29 6,92 6,52 0,01 0,39 2167 1519 1,0 55

179 2,18 1,13 64,46 14,61 20,93 1,43 29,30 0,56 0,00 5,97 5,65 0,32 0,00 2781 2436 0,0 67

Canal BB 1541 10,00* 1,31 54,39 19,00 26,61 2,51 34,77 0,64 2,67 5,02 n.d. n.d. n.d. 3439 2692 n.d. n.d.

Benef. BB 1659 10,00* 1,18 41,58 25,54 32,78 3,28 46,94 0,88 4,89 2,43 1,78 0,01 0,64 4742 3836 1,0 n.d.

ROM BO

Benef. BO

ROM BB

Análise Imediata Análise Elementar Poder Calorífico

Origem Am. FSI HGIUmidade (%)

O valor do índice de moabilidade, HGI, varia de 60 a 72 (Tab. VII) para o

carvão ROM da camada Bonito. Esses valores são considerados altos, mas são

condizentes com as variações observadas no rank, uma vez que o HGI é maior para

carvões de menor rank, como observado por Speight (2005) e Suárez-Ruiz e Crelling

(2008), conferindo facilidades de moagem para esses carvões. Na tabela VII também

são apresentados os valores do índice de livre inchamento, FSI. Os valores variam de

0,5 a 1,0 e podem ser classificados como tendo fraco endurecimento (Speight, 2005).

Para o carvão da camada Barro Branco, tanto o HGI quanto os valores do FSI são muito

semelhantes aos da camada Bonito.

A distribuição dos elementos maiores mostra que o carvão ROM é dominando

por Al2O3 e SiO2 variando entre 11,42 a 21,30% e 33,66 e 55,70%, respectivamente. Os

teores de Fe2O3, por sua vez, variam de 7,75 a 9,63% (Tab. VIII). A distribuição dos

elementos traços mostra enriquecimento em Cr, Mn, Zn, Rb, Sr, Zr, Ba e Pb, com

valores máximos de 63,08 ppm para Ba, 43,81 ppm para Cr e 22,38 ppm para Zr. O

conteúdo dos demais elementos traços mostram concentrações inferiores a 10 ppm.

Tabela VIII. Análise química dos elementos maiores (%) e traços (ppm), livre de cinzas (dry, ash-free),

das amostras de carvão ROM e beneficiado das camadas Bonito e Barro Branco. ROM = Run of mine;

n.d. = não determinado.

Os elementos maiores, no carvão beneficiado, mostram o predomínio de SiO2

com valores da ordem de 26,17 a 30,15%. Os teores de Fe2O3 variam de 2,34 a 3,93%

(Tab. VIII). Para os elementos traços, se observa concentrações de Ba (até 82,87 ppm),

Amostra 1486 1641 3691 1865 1658 1816 1866 178 179 1659

Tipo Benef.

Cinza (%) 64,03 61,76 60,45 63,92 48,70 43,18 44,38 45,94 64,46 41,58

Na2O 0,38 0,41 0,57 0,49 0,35 0,45 0,43 0,09 0,08 0,15

MgO 0,59 0,54 0,53 0,58 0,41 0,35 0,39 0,48 0,52 0,27

Al2O3 11,73 11,85 11,42 13,61 9,93 7,90 9,10 10,98 12,66 10,85

SiO2 36,14 35,19 33,46 35,60 30,14 26,17 27,29 22,47 32,72 24,19

P2O5 0,04 0,05 0,05 0,04 0,05 0,03 0,03 0,03 0,05 0,04

SO3 2,69 1,83 2,21 2,16 0,69 1,88 0,92 0,47 2,46 0,30

K2O 2,39 2,27 2,28 2,11 1,93 1,43 1,42 1,05 1,70 1,26

CaO 1,44 0,96 1,21 1,09 0,48 1,03 0,56 0,21 3,14 0,23

TiO2 0,60 0,56 0,65 0,55 0,57 0,35 0,38 0,57 0,75 0,64

Fe2O3 7,75 7,90 7,85 6,16 3,93 2,34 2,75 9,37 8,65 3,42

Total 63,75 61,55 60,23 62,40 48,49 41,92 43,27 45,71 62,71 41,34

As n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 28,94 34,16 n.d.

Mo n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 2,99 4,64 n.d.

Cl n.d. n.d. n.d. 6,39 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d.

Co n.d. n.d. n.d. 9,39 n.d. n.d. 3,26 5,79 9,54 n.d.

Sc n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 2,71

V n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 59,26 47,70 16,30

Cr 43,81 16,90 28,95 13,12 16,66 8,86 15,18 45,25 40,87 34,14

Mn 39,67 19,13 42,13 19,80 7,54 30,10 10,31 21,13 288,14 6,44

Ni 15,09 4,85 4,75 5,02 7,65 3,39 3,49 16,35 21,47 6,53

Cu 5,12 n.d. 4,83 5,11 3,89 3,45 3,55 42,77 37,90 6,64

Zn 10,29 4,96 9,71 10,27 7,83 6,94 3,57 236,13 117,32 3,34

Ga n.d. 4,59 n.d. n.d. 1,81 1,61 1,65 40,43 45,12 1,55

Rb 11,71 11,29 11,06 11,69 8,91 7,90 8,12 210,41 286,20 7,60

Sr 10,83 10,44 15,33 10,81 8,24 7,30 7,51 90,96 194,67 7,03

Y 5,04 4,86 4,76 5,03 3,83 3,40 3,49 89,12 108,29 3,27

Li n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 50,07 34,42 n.d.

Be n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 3,22 n.d. n.d.

Zr 18,96 9,14 22,38 14,20 18,03 12,79 13,14 185,14 498,92 30,78

Nb n.d. n.d. 4,23 n.d. n.d. n.d. n.d. 68,91 94,76 n.d.

Ba 63,08 77,44 n.d. 28,62 82,87 n.d. 23,85 81,77 323,59 52,14

Pb 5,94 11,47 22,45 5,93 9,04 4,01 4,12 29,40 52,86 3,86

U n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 11,60 n.d.

Th n.d. n.d. 5,31 2,81 n.d. n.d. n.d. 5,05 n.d. 1,83

Bonito Inferior Barro Branco

ROM Beneficiado ROM

Zr (entre 12,79 e 18,03 ppm), Mn (valores entre 7,54 e 30,10 ppm) e Cr (teores entre

8,86 e 16,66 ppm).

De acordo com Kitto e Stultz (2005) a temperatura de fusão do carvão se inicia

durante o estágio correspondente a T Esf., ou seja, temperatura de amolecimento

(softhening). Para os carvões das camadas Bonito e Barro Branco estudados, a

microscopia de aquecimento das cinzas em meio oxidante (O2), indicou temperaturas

variando de 1.357 a 1.384°C e 1.347 a 1.438°C para a Camada Bonito, ROM e

beneficiado, respectivamente. Por outro lado, a T Esf. apontou valores em torno de

1.505°C e 1.585°C para a Camada Barro Branco ROM e beneficiado, respectivamente.

A cinza, tanto do carvão Bonito quanto Barro Branco, pode ser classificada

como betuminosa, pois atende o critério Fe2O3 > CaO + MgO. A formação de cinzas na

caldeira, ou seja, geração de slagging e fouling, durante o processo de queima do carvão

pode ser calculada como sugerem Kitto e Stultz (2005). Para o carvão Bonito o slaggind

index apontou médio potencial de geração, com valores entre 0,89 e 1,28, e baixo

potencial com valores entre 0,32 e 0,40 para amostras de ROM e beneficiado,

respectivamente. Já, o fouling index mostra baixo a médio potencial para geração, tanto

de amostras de ROM quanto de beneficiado, com valores mínimos de 0,13 e máximos

de 0,26.

O carvão Barro Branco, com relação ao slaggind index aponta médio a alto

potencial de geração, com valores entre 1,23 e 2,14 para as amostras de ROM, enquanto

que para o carvão beneficiado o potencial é 0,36, classificado como baixo. O fouling

index mostra baixo potencial tanto para as amostras de ROM quanto beneficiadas, com

valores entre 0,02 e 0,03 e 0,05 respectivamente.

Para o processo de combustão, os baixos teores de ferro do carvão ROM da

Camada Bonito, promovem uma diminuição da temperatura de fusão da cinza. Com

relação ao produto do beneficiamento desse carvão, os teores de ferro são ainda

menores (Tab. VIII). Por outro lado, a composição mineralógica do carvão Bonito tem

como principal constituinte a presença de argilas e pirita (FeS2). A pirita representa a

maior fonte de ferro nas cinzas do carvão. O processo de beneficiamento elimina

consideravelmente a pirita associada ao carvão, e o ferro remanescente no produto final

pode estar relacionado apenas aos processos diagenéticos de formação do carvão.

4.3.Reatividade dos carvões Bonito, Barro Branco e misturas

Os testes de combustão ao ar e de reatividade do carbono ao CO2 foram

realizados em amostras de carvão beneficiado (CE 4500) provenientes das camadas

Bonito e Barro Branco. Essa análise termogravimétrica também foi feita em misturas

entre esses carvões considerando as proporções 25:75, 50:50 e 75:25.

No teste de combustão ao ar para a obtenção do perfil de combustão as

amostras de carvão, bem como as misturas, foram queimadas até a temperatura de

1000°C, numa vazão de ar de 60 ml/min, a uma taxa de aquecimento de 25°C/min, com

patamares de 5 min a cada 110°C para a medida da perda de umidade. Foram realizados

2 testes por amostra. A partir do perfil de combustão (Fig. 2) foi determinada a

reatividade Rmáx., ou seja, a taxa máxima de reação, em [min-1

], em cada ponto e para

todas as amostras analisadas, conforme a equação (1):

(

) (1)

onde, R é a reatividade ao ar em min-1

, e m0 é a massa inicial em mg.

Também foram determinadas as temperaturas características: Ti ou temperatura

inicial de combustão do char, correspondente a 20 % de Rmáx [°C], Tp ou temperatura de

pico, correspondente à Rmáx [°C] e Tf ou temperatura de final de queima, correspondente

a 0,01 min-1

[°C].

Figura 2. Perfil de combustão das amostras de carvão beneficiado das camadas Bonito e Barro Branco, e

misturas.

Os perfis de combustão de todas as amostras (Fig. 2) são aproximadamente

simétricos com pequenas diferenças que refletem diferenças na composição dos

carvões, principalmente na composição dos macerais.

As amostras de carvão beneficiado Bonito e Barro Branco, bem como suas

misturas, possuem comportamento similar com relação à reatividade ao ar e perfil de

combustão (Fig. 2). Porém, a amplitude do intervalo de queima do carvão beneficiado

da camada Bonito (100 BO) é menor (Tf – Ti = 211; Tab. IX), conferindo uma

reatividade maior a essa amostra resultando em um tempo de combustão menor.

Tabela IX. Reatividade máxima e temperaturas características do perfil de combustão ao ar das amostras

e misturas estudadas.

Nos testes de reatividade ao CO2, as amostras foram inicialmente pirolisadas

em fluxo de 60 ml/min de N2, a uma taxa de 30°C/min, até a temperatura de 1.050°C. A

seguir foi realizada a troca do gás N2 por um fluxo de 48 ml/min de CO2, onde as

amostras foram mantidas por 1h nessa temperatura para gaseificação do C, segundo a

reação C+ CO2 2 CO. A partir dos resultados de perda de massa das amostras

durante a gaseificação, utilizou-se a equação (1) para o cálculo da reatividade ao CO2, e

a equação (2) para o cálculo da conversão do C:

(2)

onde m0 é a massa inicial desvolatilizada e mi, a massa instantânea.

Amostra Ti (°C) Tp (°C) Tf (°C) Rmáx (min-1

) (Tf – Ti)

100 BB 390 484 625 0,171 235

25 BO:75 BB 396 488 627 0,173 231

50 BO:50 BB 402 498 626 0,168 224

75 BO:25 BB 407 509 628 0,181 221

100 BO 421 528 632 0,192 211

O resultado dos testes de reatividade das amostras estudadas ao CO2, a 1.050°C

é mostrado na figura 3, cujos pontos onde ocorreu a máxima reatividade (Rmáx), estão

indicados por setas. A tabela X mostra os valores de Rmáx obtidos para as amostras

estudadas.

Figura 3. Perfil de reatividade ao CO2 a 1.050°C das amostras de carvão beneficiado das camadas Bonito

e Barro Branco e misturas.

Tabela X. Resultados dos testes de reatividade das amostras dos carvões Bonito (BO) e Barro Branco

(BB) ao CO2 a 1050°C.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A comparação da qualidade entre os carvões da Camada Bonito nas áreas norte

e sul exigem uma caracterização, no mínimo, com igual número de parâmetros

analíticos, como os apresentados neste trabalho. Para alcançar este nível comparativo

serão necessárias novas campanhas de pesquisa geológica e de sondagens, as quais

possibilitem a coleta de amostras representativas para a realização de ensaios

geomecânicos nas camadas de carvão e em suas encaixantes, ensaios físico-químicos e

curvas de lavabilidade.

Com esses dados à disposição seria possível traçar as curvas de lavabilidade,

elementos fundamentais para a previsão dos possíveis rendimentos do carvão da camada

Bonito, área sul, nas plantas de beneficiamento. Também seria possível prever nos

produtos e rejeitos, os percentuais de enxofre, materiais voláteis e outros dados

fundamentais para o estabelecimento dos sistemas de controles ambientais aplicáveis.

Informações importantes sobre o comportamento dos carvões utilizados no

processo de combustão nas caldeiras do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, serão de

extrema relevância, por diagnosticar com antecedência os possíveis problemas

porventura existentes, permitindo desta forma aperfeiçoar a operação e o

aproveitamento do combustível. Em resumo, se teria à disposição os dados necessários

Amostra Rmáx (min-1

) CR máx (%) t 50% C (min)

100 BB 0,121 2,3 5,5

25 BO:75 BB 0,118 2,5 5,2

50 BO:50 BB 0,132 1,5 6,4

75 BO:25 BB 0,15 2,9 5,8

100 BO 0,091 19,4 6,1

sobre essa camada de carvão, para um entendimento suficiente que garantirá o sucesso

de investimentos tanto na área da mineração como da produção energética.

Sob essa ótica, os dados acima apresentados, embora representativos e

significativos em termos de avaliação da qualidade do carvão da Camada Bonito, tanto

ROM, quanto beneficiado, por si só não são conclusivos por considerarem apenas a área

norte da Jazida Sul-Catarinense. A necessidade de aquisição de dados e obtenção de

amostras para a área sul faz-se necessária para o entendimento e caracterização do

carvão da Camada Bonito em termos de representatividade e importância econômica em

toda a bacia carbonífera.

As cinzas do carvão beneficiado da Camada Bonito iniciam o processo de

fusão a uma temperatura de amolecimento da ordem de 1.340°C, inferior à temperatura

de fusão do carvão beneficiado Barro Branco, cujos valores são da ordem de 1.590°C. A

temperatura de fusão das cinzas do carvão da Camada Bonito é inferior às temperaturas

das caldeiras do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, cujos valores são da ordem de

1.500°C aproximadamente.

Os perfis de combustão das amostras estudadas são aproximadamente

simétricos com pequenas diferenças que refletem diferenças na composição dos

carvões, principalmente com relação aos grupos de macerais. Os carvões beneficiados

das camadas Bonito e Barro Branco, bem como suas misturas, possuem comportamento

similar com relação à reatividade ao ar e perfis de combustão. O carvão beneficiado da

Camada Bonito tem uma amplitude do intervalo de queima menor, conferindo uma

reatividade maior em um tempo de combustão menor. Por outro lado, o perfil do CO2

mostra maior reatividade para o carvão beneficiado da Camada Barro Branco.

A possibilidade de queima do carvão Bonito ROM implicaria nos estudos de

um novo procedimento de queima, a uma temperatura necessariamente inferior à

utilizada atualmente nas usinas do Complexo Jorge Lacerda. Faz-se também necessário

a realização de pesquisas referentes à adaptação dos equipamentos existentes ou até ao

desenvolvimento de uma nova unidade produtiva.

6. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de

Santa Catarina (SATC) pelo suporte técnico e logístico, às empresas Carbonífera

Catarinense Ltda., Carbonífera Metropolitana S.A., Carbonífera Belluno Ltda.,

Carbonífera Criciúma S.A. e Indústria Carbonífera Rio Deserto, pelas amostras de

carvão analisadas, e agradecemos as importantes contribuições de L. C. C. Cavaler, C. J.

B. Gomes e A. L. A. Smaniotto.

7. REFERÊNCIAS

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carvão mineral bruto e/ou beneficiado, 1983.

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