caracterização e aproveitamento de cinzas da combustão de ......
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CARACTERIZAÇÃO E APROVEITAMENTO DE CINZAS DA
COMBUSTÃO DE CARVÃO MINERAL GERADAS EM USINAS
TERMELÉTRICAS
Sydney Sabedota, Marcelo Garcia Sundstron
b, Sabrine Cássia de Böer
a, Carlos Hoffmann Sampaio
c,
Rosane Grings de Oliveira Diasa, Claudete Gindri Ramos
a
aUnilasalle,
bCopelmi Mineração Ltda.,
cUFRGS
[email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected]; [email protected]; [email protected]
RESUMO
As cinzas geradas na queima de carvão mineral em usinas termelétricas apresentam características físicas, químicas e
mineralógicas que dependem de fatores como a composição do carvão de origem, as condições de combustão, o tipo e a
eficiência do sistema de controle de emissões e os métodos de disposição utilizados. Uma pesquisa em desenvolvimento
com o carvão da empresa Copelmi Mineração Ltda., e com as cinzas leves e pesadas geradas em três usinas
termelétricas que queimam carvão beneficiado da referida empresa, trata de definir os parâmetros físicos, químicos e
mineralógicos das cinzas, com análises de densidade, colorimetria, distribuição granulométrica, pH, Índice de Trabalho
de Bond, fluorescência de raios-X, espectrometria de absorção atômica e difratometria de raios-X. O objetivo da
pesquisa é identificar as possíveis aplicações para as cinzas de combustão do carvão, buscando-se alternativas viáveis
para a melhor utilização deste resíduo e evitar, ou reduzir, os impactos ambientais decorrentes da sua acumulação no
meio ambiente. Ainda que os estudos não estejam concluídos, neste artigo são mostrados e analisados os resultados
preliminares da pesquisa e comenta-se sobre possíveis usos das cinzas como matéria-prima.
PALAVRAS-CHAVE: cinzas de combustão de carvão, cinzas volantes de carvão, cinzas pesadas de carvão,
caracterização de cinzas de carvão.
1. INTRODUÇÃO
Relatórios elaborados por instituições e organizações nacionais e internacionais preocupadas
com a produção de energia têm enfatizado a importância do carvão mineral nas próximas duas
décadas, apontado como a mais eminente alternativa para o petróleo, por produzir resultados
positivos em curto prazo.
A queima de carvão mineral nas usinas termelétricas produz resíduos classificados como
escórias, cinzas de fundo (pesadas) e cinzas volantes (leves) (Rohde e outros, 2006). A
intensificação do uso da matéria-prima energética tende a aumentar o problema de gestão destes
resíduos gerados em várias partes do mundo e que constituem problemas ambientais (Basu e
outros, 2009). De acordo com Butalia e Wolfe (2000), pode haver potenciais desvantagens e
limitações técnicas, ambientais e econômicas para o uso dos chamados produtos da combustão de
carvão (PCCs): custos para o transporte dos produtos - alguns com alto teor de umidade - desde o
local da produção; viabilidade dos produtos, vinculada ao tipo de carvão, tipo de caldeira, fase de
combustão, reagente e processo FGD (Flue Gas Desulfurization) empregados; alternativas de
produtos similares e de mais baixo custo; potenciais efeitos de longo prazo dos produtos no meio
ambiente, considerando que as pesquisas costumam demonstrar efeitos de curto prazo, sendo os de
longo prazo extrapolados a partir destes ou através de modelamento numérico; elevados custos de
implantação e monitoramento de projetos que utilizam os PCCs; a responsabilidade potencial da
empresa geradora dos PCCs continua nos produtos que utilizam a matéria-prima reciclada;
durabilidade dos produtos que utilizam a matéria-prima reciclada, principalmente em regiões com
climas sujeitos a elevadas variações de temperatura.
Entretanto, Butalia e Wolfe (2000) também identificam benefícios econômicos, ambientais e
tecnológicos para produtores, comerciantes e usuários finais de PCCs: estímulo à adoção de novas
tecnologias e produtos, principalmente quando os custos decorrentes são menores que os de
armazenamento e monitoramento; a lixiviação de PCC geralmente não gera produtos perigosos ou
tóxicos; muitas aplicações de PCC resultam produtos melhores e mais baratos do que os similares
sem PCC, como, por exemplo, o uso de cinzas leves em concreto, que apresenta maior resistência,
menor permeabilidade e maior resistência às reações com álcalis e sulfatos, entre outras, em relação
ao concreto comum; diminuição da necessidade de espaços para o aterro dos produtos; conservação
dos recursos naturais, pela substituição dos produtos por cascalho, areia e argila, principalmente nas
regiões que fazem uso de pedreiras para a obtenção de matérias-primas usadas na construção civil;
como decorrência deste último, a diminuição da degradação ambiental.
A discussão sobre os fatores restritivos ou benéficos ao uso dos resíduos gerados na queima
de carvão mineral por usinas termelétricas tem sido amplamente divulgada nas publicações
científicas. Os resultados têm influenciado os pesquisadores a traçarem considerações favoráveis ao
uso dos resíduos e, ao mesmo tempo, contribuírem com informações que diminuem as dúvidas
quanto às restrições e aumentam o rol dos benefícios. Há unanimidade quanto à importância da
caracterização físico-química e mineralógica dos resíduos visando às aplicações industriais. Muitos
estudos decorrentes têm sugerido diversas aplicações para os resíduos. Uma das bem conhecidas é a
sua conversão em zeólitas através de fusão alcalina seguida de tratamento hidrotérmico (Querol e
outros, 1997; Ojha e outros, 2004; Ryu e outros, 2006). Entretanto, variados estudos indicam grande
potencial para o uso das cinzas em: aditivos em cimento e cerâmicas, fabricação de blocos e tijolos
(Calarge e outros, 2000; Chies e outros, 2003); ladrilhos e refratários (Silva e outros, 1999);
pavimentação e preenchimento de cava de mina de carvão (Queralt e outros, 1997; Vassilev e
outros, 2001; Hall e Lívíngston, 2002); extração de metais, como Al, Si, Fe, Ge, Ga, V e Ni
(Rayzman, 1997), Hg e Se (Suárez-Ruiz e outros, 2007; López-Antón e outros, 2007), Cr e Cd
(Bayat, 2002); extração de carbono não queimado (Hamley, 2001); remoção de compostos fenólicos
em águas residuais (Khanna e Malhotra, 1977); adsorventes para gases de combustão (Tsuchiai,
1995); produtos cerâmicos especiais (Ozdemir e outros, 2001); painéis anti-incêndio (Vilches,
2002); condicionamento de solos (Martins, 2001); controle de erosão (Tishmack, 2001); solos
artificiais (Reynolds, 1999); produção de vidro (Erol e outros, 2007).
Os estudos acima são uma pequena amostra do potencial das cinzas geradas em usinas
termelétricas pela queima de carvão mineral. No entanto, o conhecimento sobre as propriedades do
carvão e suas cinzas é um parâmetro importante nas decisões sobre seu uso industrial (Levandowski
e Kalkreuth, 2009; Adriano e outros, 1980; Page e outros, 1979). Davidson (2000) e Breit e
Finkelman (1998) mostraram que existem diferenças significativas na composição mineral,
principais elementos e elementos-traço nas frações flutuadas e afundadas do carvão. Pires e Querol
(2004), estudando o carvão alimentado e suas cinzas leves e pesadas na Usina de Candiota, RS,
demonstraram alta variabilidade na distribuição de elementos-traço naqueles materiais.
Em um estudo de revisão sobre cinzas leves, Ahmaruzzaman (2010) faz considerações
interessantes sobre as perspectivas das cinzas, e que futuras pesquisas poderão estabelecer um
grande potencial em aplicações ambientais e alternativas para substituir o carvão ativado e zeólitas
para adsorção no ar ou no tratamento da poluição da água; Wang e outros, (2005) relatam que
modificações nas cinzas aumentam sua capacidade de adsorção.
Considerando o estado da arte sobre o tema e suas promissoras perspectivas, um grupo de
pesquisadores e instituições se uniu e estruturou um projeto de pesquisa que está em
desenvolvimento nas instituições, com recursos financeiros delas e do CNPq. O estudo é realizado
no Unilasalle, na UFRGS (através do Laboratório de Processamento Mineral - Laprom) e na
Copelmi Mineração Ltda. Consiste de um programa de amostragem e caracterização de cinzas leves
e pesadas, com quatro coletas a cada quatro meses, em usinas termelétricas de três empresas
(Braskem S/A, CMPC Celulose Riograndense e Tractebel Energia S/A), que queimam carvão
mineral produzido e beneficiado na Copelmi.
A caracterização tem por objetivo a definição de parâmetros físicos, químicos e
mineralógicos, através dos quais se pretende identificar alternativas viáveis para o melhor uso dos
resíduos e contribuir para a sustentabilidade ambiental e econômica da região produtora. A
viabilidade pretende-se demonstrar em futuro projeto de pesquisa, tecnicamente fundamentado nos
dados gerados neste projeto. Até a presente data (maio/2011), foram realizadas três coletas, duas
delas plenamente caracterizadas e a terceira em processamento. Neste artigo, os dados apresentados
referem-se a primeira e segunda coletas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Coleta e Preparação dos Materiais
Cada coleta nas três usinas foi realizada na mesma semana. De acordo com o engenheiro da
Copelmi, que atua no projeto e é responsável pelo fornecimento de carvão às usinas, as três
queimavam, à época das coletas, produtos oriundos de um mesmo período de beneficiamento.
Nas usinas, a cinza leve foi coletada em dispositivo de coleta na tubulação que conduz a
cinza leve aos silos de armazenamento. A cinza pesada foi coletada em dispositivo de descarte,
antes de chegar ao fundo da fornalha. Em ambas as situações, as amostras foram coletadas de
rejeitos ulteriores à queima do carvão. As amostras pesaram cerca de 10 kg. Após secagem, foram
reduzidas em subamostras em um quarteador do tipo Jones, em massas adequadas às diversas
caracterizações. As sobras estão armazenadas.
2.2. Caracterização Física
As cinzas foram submetidas a ensaios físicos para distribuição granulométrica, densidade,
colorimetria, moabilidade e pH.
A distribuição granulométrica das cinzas pesadas foi definida no laboratório da Copelmi, de
acordo com a norma ABNT NBR 8629, que dispõe sobre a análise granulométrica de carvão
mineral. As cinzas leves foram analisadas no Laprom, no equipamento granulômetro à difração
laser, marca Cilas, modelo 1064.
As análises de densidade real foram realizadas no Laboratório de Geotecnia da Associação
Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina (SATC), através do método DNER-ME
093/94.
Os ensaios de colorimetria foram realizados no Laprom, através de um espectrocolorímetro,
marca Minolta. A pulverização das amostras para a formação de pastilha seguiu os procedimentos
da norma TAPPI T 534 pm-92. A medida do fator de reflectância (alvura ISO) seguiu os
procedimentos da NM-ISO 2470 Br.
O teste de moabilidade em cinza pesada, para o cálculo do Índice de Trabalho de Bond (Wi),
foi realizado no Laboratório de Tecnologia Mineral da COPPE/UFRJ, segundo a Norma Técnica
NBR 11376 ABNT.
O pH das cinzas foi medido no Instituto de Química do Unilasalle, segundo as metodologias
descritas em ASTM D 4980-89 (1998) e Ferret (2004).
2.3. Caracterização Química
As diversas amostras foram submetidas às seguintes análises químicas: conteúdo de CNHS,
principais óxidos e alguns metais.
Os conteúdos de carbono, nitrogênio, hidrogênio e enxofre nas cinzas leves e pesadas foram
determinados no Laprom, em equipamento CNHOS Elementar, marca Vario Macro, pelo método
condutividade térmica e uso de hélio como gás de arraste, e em material com granulometria
passante na malha 200 mesh, norma ASTM 5373.
Os principais elementos foram determinados na SGS Geosol Laboratórios Ltda., em
equipamento de fluorescência de raios-X, pelo método XRF79C e fusão com tetraborato de lítio. O
mesmo laboratório determinou a LOI (loss on ignition) das amostras, e indicou PHY01E,
calcinação da amostra a 1000 ºC, como referência analítica.
Alguns elementos-traço (As, Pb, Cr, Cd, Hg e U) também foram analisados em amostras de
cinzas leves e pesadas e uma amostra de carvão. As análises foram realizadas na Laborquímica
Laboratório de Análises Químicas Ltda., em equipamento ICP-IOES, e indicado o Standard
Methods 3112 B para Hg e 3120 B-ICP para os demais metais.
2.4. Caracterização Mineralógica
Realizada no Laboratório de Difratometria de Raios-X, no Departamento de Geologia da
UFRGS, em um difratômetro de raios-X, marca Siemens, modelo D5000, método do pó.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados apresentados a seguir são parciais, considerando que a pesquisa ainda está em
desenvolvimento. Por este motivo, as discussões são ainda incipientes, podendo ser reformuladas
após a conclusão dos estudos, e possibilitando uma análise apenas preliminar sobre as cinzas e suas
potencialidades como matéria-prima.
3.1. Caracterização Física
3.1.1. Distribuição Granulométrica
As análises granulométricas das amostras 1 podem ser observadas nas figuras 1 (cinza
pesada) e 2 (cinza leve); as curvas das amostras 2 estão nas figuras 3 (cinza pesada) e 4 (cinza leve).
Nestas figuras, a sigla BRAS indica as cinzas da empresa Braskem, a CMPC indica as cinzas da
empresa CMPC Celulose Riograndense e a TRAC indica as cinzas da empresa Tractebel Energia.
Figura 1. Curvas de granulometria AM1-pesada. Figura 2. Curvas de granulometria AM1-leve.
Quanto às cinzas pesadas, na figura 1 (amostras 1) observam-se semelhanças entre as curvas
CMPC e TRAC, inclusive quanto à massa mais fina (passante 0,6 mm). A curva BRAS apresenta
massas mais distribuídas nas frações grossas e uma massa de grãos significativamente menor na
fração mais fina. Já na figura 3 (amostras 2), as semelhanças ocorrem entre as curvas BRAS e
CMPC, bem como nas massas passantes na malha 0,6 mm. Nesta figura, a principal diferença está
na curva TRAC que apresenta cerca de 11% da massa de grãos acima de 9,5 mm, o que não ocorre
nas outras curvas. Em lupa binocular, observa-se que as cinzas pesadas correspondem a um material
composto por agregados granulares e alguns particulados, em geral friáveis. Esta característica pode
influir na curva de distribuição granulométrica, notadamente nas frações mais grossas, dependendo
da manipulação das amostras.
Figura 3. Curvas de granulometria AM2-pesada. Figura 4. Curvas de granulometria AM2-leve.
Quanto às cinzas leves, na figura 2 (amostras 1) identificam-se semelhanças na distribuição
das massas nas curvas BRAS e CMPC; na primeira, todos os grãos têm tamanhos inferiores a 70
micra e, na segunda, 95% da massa de grãos está abaixo deste tamanho. Na curva TRAC, 71% da
massa tem granulometria inferior a 70 micra e sua distribuição chega até o tamanho de 300 micra,
demonstrando que este material é mais grosso que os outros dois. Em termos de D50, as cinzas leves
BRAS e CMPC estão em torno de 14 micra, enquanto a o da TRAC está em torno de 50 micra. Na
figura 4 (amostras 2), observa-se a manutenção da semelhança entre as curvas BRAS e CMPC e
uma ligeira diferença no D50: na primeira, está em torno de 11 micra e, na segunda, em torno de 17
micra. Os resultados da TRAC não ficaram prontos a tempo de confecção deste artigo.
3.1.2. Densidade
A tabela I mostra as densidades reais nas diversas amostras.
Tabela I. Densidade real (g/cm3) das cinzas pesadas e leves nas amostragens.
BRASKEM CMPC TRACTEBEL
Amostra Pesada Leve Pesada Leve Pesada Leve
1 2,36 2,18 2,27 2,17 2,2 2,18
2 2,31 2,17 2,26 2,18 2,31 2,17
Há semelhanças entre os valores das cinzas leves e entre os valores das pesadas, nas duas
amostragens, das três empresas, especialmente nas cinzas leves. Os resultados da tabela I estão
compatíveis com os de medições mais antigas, realizadas por Rohde et al. (2006), em duas das
usinas amostradas no presente estudo. Segundo estes autores, os valores para as cinzas podem ser
considerados como muito baixos se comparados aos valores dos solos em geral, e as diferenças
podem estar associadas às ocorrências de agregados e partículas que mantêm gases inclusos no seu
interior.
3.1.3. Colorimetria
As figuras 5 e 6 mostram, respectivamente, as curvas de reflectância das amostras 1 e 2
pesadas; as figuras 7 e 8 mostram, respectivamente, as curvas das amostras 1 e 2 leves.
A título de comparação, os valores dos parâmetros colorimétricos para o carvão beneficiado
são: L* = 23,167; a* = 1,258; b* = 1,791; Alvura ISO = 3,56%.
Nas medidas de cores dos materiais, através de um colorímetro, utilizam-se os padrões
CIELAB. Neste processo, mede-se a intensidade de absorção da luz incidente, na região que
compreende os comprimentos de onda do visível, e se obtêm os parâmetros L* (luminosidade, que
varia do negro (0) ao branco (100)), a* (intensidade da cor vermelho (+) ou verde (-)) e b*
(intensidade da cor amarelo (+) ou azul (-)).
Os parâmetros colorimétricos são importantes quando a cor desempenha certa importância
em um processo, como no caso do caulim, onde quanto maior a alvura melhor a qualidade da
matéria-prima, ou na obtenção de produto onde a cor seja essencial na sua conformação.
Figura 5. Curvas de reflectância AM1-pesada. Figura 6. Curvas de reflectância AM2-pesada.
Figura 7. Curvas de reflectância AM1-leve. Figura 8. Curvas de reflectância AM2-leve.
A tabela II mostra os valores dos parâmetros colorimétricos das amostragens.
Tabela II. Valores de parâmetros colorimétricos das cinzas leves e pesadas nas amostragens.
BRASKEM CMPC TRACTEBEL
Amostra Parâmetro Pesada Leve Pesada Leve Pesada Leve
L* 31,775 74,575 31,722 72,625 - 62,153
1 a* 0,587 0,118 0,787 0,104 - 0,11
b* 2,108 3,631 2,507 3,013 - 1,227
Alvura ISO 6,49 44,65 6,38 42,24 - 29,84
L* 29,823 70,643 36,483 76,224 - 68,083
2 a* 0,466 0,235 0,352 0,093 - 0,416
b* 1,61 2,982 1,695 3,784 - 3,037
Alvura ISO 5,82 39,44 8,79 47,06 - 35,92
- não realizada
Nas pesquisas com cinzas de carvão mineral a colorimetria não é usual. Neste estudo,
introduziu-se este parâmetro para se investigar, por exemplo, eventual correlação entre presença (ou
teor) de material incombusto na cinza e sua cor; ou presença de substâncias químicas como sílica,
ferro, etc. na cinza e sua cor. Se houver alguma correlação, o uso deste parâmetro poderá influenciar
na redução dos custos analíticos, por exemplo, nos processos de monitoramento das cinzas. Outra
questão, considerando os objetivos da pesquisa, com a definição dos parâmetros colorimétricos
pode-se identificar algum potencial das cinzas como matéria-prima para misturas com outras
substâncias, nas quais a cor seja fator decisivo.
Na atual fase da pesquisa, os dados ainda são insuficientes para alguma definição sobre o
acima exposto. Entretanto, registram-se algumas considerações preliminares sobre as curvas de
reflectância e os parâmetros colorimétricos. A curva de reflectância do carvão, mostrada nas figuras
5 a 8, mostra reflectâncias baixas na faixa de comprimentos de onda considerada. É uma forma de
curva normal para matérias-primas de cores escuras. Na figura 6 (cinzas pesadas, amostras 2), a
curva de reflectância da amostra CMPC está em nível acima da amostra BRAS. Os parâmetros
colorimétricos L* e Alvura de ambas as amostras (tabela II) são mais elevados na amostra CMPC.
Observando-se o conteúdo de C das duas amostras CMPC e BRAS (tabela IV), verificam-se valores
respectivos de 7,01 e 17,82%. Ou seja, na amostra BRAS efetivamente há mais carvão incombusto,
fato igualmente comprovado com as curvas de reflectância e os parâmetros colorimétricos das
amostras.
Nas cinzas leves, o critério do teor de C atende parcialmente: serve para as amostras TRAC
e BRAS, nas duas amostragens, mas não para a amostra CMPC. Isso pode ser indicativo de que
outras substâncias, além do C, podem estar interferindo na curva de reflectância; ou que os dados
disponíveis ainda são inconsistentes para uma análise adequada.
3.1.4. Índice de Trabalho de Bond
Também conhecido como teste de moabilidade, o Índice de Trabalho de Bond (work index -
Wi) é uma metodologia utilizada para o dimensionamento de moinhos, e seus valores variam entre 5
e 25 kWh/t. De acordo com Bond, a energia consumida na cominuição de uma alimentação com
A80 (abertura de peneira na qual passam 80% da alimentação, em μm) e cominuída até P80
(abertura de peneira na qual passam 80% do produto, em μm) é igual à diferença entre a energia
necessária para reduzir um material de tamanho teoricamente infinito até A80 e a energia necessária
para reduzir o mesmo material de tamanho infinito até P80. Bond expressou essa relação como:
sendo W a quantidade específica de trabalho consumida em kWh/t e Wi o índice de trabalho,
constante específica do material que expressa a resistência do material à britagem e à moagem
(Silva, 2007).
Uma amostra de cinza pesada foi submetida ao teste de moabilidade para avaliação do Wi,
para eventual moagem e aproveitamento da matéria-prima. O valor definido foi 11,9 kWh/t, que
pode ser considerado como médio. O consumo energético da moagem deste material é, por
exemplo, inferior ao necessário à moagem de clínquer de cimento Portland, e superior à matéria-
prima para cimento (Figueira e outros, 2004). A figura 9 mostra as curvas de distribuição
granulométrica do material original e do produto após o teste de moabilidade.
Figura 9. Curvas da distribuição granulométrica de cinza pesada no teste de moabilidade.
3.1.5. pH
Os valores para pH nas cinzas leves e pesadas estão assinalados na tabela III. Indicam
materiais alcalinos, com alcalinidade mais acentuada nas cinzas leves, nas quais os valores tendem à
homogeneidade. Os valores das cinzas pesadas são mais heterogêneos e certamente refletem as
características da matéria-prima beneficiada e queimada.
Tabela III. Valores de pH nas cinzas.
BRASKEM CMPC TRACTEBEL
Amostra Pesada Leve Pesada Leve Pesada Leve
1 8,5 12,6 8,9 12,2 9,3 9,6
2 8,7 12,0 12,1 12,6 9,1 11,9
3.2. Caracterização Química
3.2.1. CNHS
A tabela IV indica os resultados para carbono, nitrogênio hidrogênio e enxofre nas
diferentes amostras de cinzas. Não se observam valores anormais para os elementos, exceto C nas
cinzas pesadas da Braskem e CMPC, especialmente na primeira, que pode denotar algum tipo de
problema durante a queima do carvão. Ainda que sejam apenas dois períodos de coleta, há
consistência entre os valores, para cada usina, nas duas amostragens.
Tabela IV. C, N, H e S contidos nas cinzas.
BRASKEM CMPC TRACTEBEL
Amostra Elemento (%) Pesada Leve Pesada Leve Pesada Leve
C 17,8 0,52 8,67 2,19 1,2 0,65
1 N 0,34 0,05 0,13 0,08 0,06 0,06
H 0,6 0,01 0,11 0,03 0,02 0,01
S 0,55 0,08 0,18 0,19 0,11 0,09
C 17,82 0,5 7,01 1,86 1,24 0,63
2 N 0,33 0,05 0,14 0,06 0,06 0,04
H 0,58 0,02 0,06 0,03 0,01 0,01
S 0,36 0,09 0,19 0,1 0,1 0,08
3.2.2. Principais Elementos e LOI
Na tabela V estão assinalados os valores para os principais elementos e LOI, das duas
amostragens realizadas nas três usinas em foco. Em termos gerais, não há valores que possam
chamar a atenção, exceto para LOI, em Braskem e CMPC, devido ao elevado teor de C, e que
fazem baixar os valores para SiO2 e Al2O3. Os mesmos comentários de Rohde e outros (2006)
servem para caracterizar os principais elementos do presente estudo, ou seja, as matérias-primas são
constituídas predominantemente por silicatos e aluminatos amorfos, com significativos teores de
ferro e com baixas concentrações de metais alcalinos.
3.2.3. Elementos-traço
Alguns metais foram analisados em uma amostra de cinza leve, uma de cinza pesada e uma
amostra de carvão em alimentação durante a primeira amostragem, em uma das usinas termelétricas
em foco. Os metais analisados e os resultados encontram-se na tabela VI.
Tabela V. Resultados para principais elementos e LOI nas diversas amostras de cinzas.
BRASKEM CMPC TRACTEBEL
Amostra Substância (%) Pesada Leve Pesada Leve Pesada Leve
SiO2 39,7 61,0 43,2 58,8 60,5 60,8
Al2O3 16,3 28,0 17,8 26,8 25,8 26,3
Fe2O3 5,97 2,34 7,9 3,36 5,79 4,4
CaO 3,57 2,49 5,65 3,78 2,34 1,8
MgO 0,38 0,53 0,37 0,45 0,43 0,42
1 TiO2 0,76 1,21 0,88 1,18 1,14 1,19
P2O5 0,04 0,06 0,03 0,04 0,04 0,04
Na2O 0,12 0,18 0,13 0,18 0,12 0,12
K2O 1,14 1,76 1,11 1,48 1,52 1,54
MnO 0,08 0,02 0,1 0,04 0,04 0,02
LOI 31,27 0,8 21,23 2,71 1,93 1,39
SiO2 45,8 60,8 49,8 59,3 58,3 62,2
Al2O3 19,9 29,7 21,5 27,7 24,1 28,6
Fe2O3 5,07 1,96 7,4 2,9 7,51 3,04
CaO 2,5 2,24 6,13 3,68 3,03 1,52
MgO 0,31 0,48 0,39 0,48 0,38 0,43
2 TiO2 0,86 1,26 0,98 1,24 1,07 1,22
P2O5 0,04 0,05 0,04 0,05 0,04 0,04
Na2O 0,13 0,24 0,16 0,21 0,14 0,12
K2O 1,28 1,73 1,31 1,59 1,74 1,79
MnO 0,05 0,01 0,08 0,03 0,06 0,02
LOI 23,5 0,87 10,73 1,08 3,58 0,88
Tabela VI. Resultados de para alguns elementos-traço em carvão e as cinzas decorrentes da queima.
Metal (mg/kg)
Amostra As Pb Cr total Cd Hg U
Carvão < 0,01 7,97 9,64 < 0,001 0,0716 < 0,4
Cinza Pesada < 0,01 0,613 3,85 < 0,001 0,0561 < 0,4
Cinza Leve 4,1 1,18 5,6 < 0,001 0,0636 < 0,6
Os resultados permitem avaliar os elementos químicos de acordo com a ABNT NBR
10004/2004 - Resíduos Sólidos. Conforme a norma, elementos-traço como, As, Pb, Cr, Cd e Hg
presentes no carvão e nas cinzas têm alta toxidade, motivo pelo qual aumenta o interesse da
pesquisa sobre esses elementos. Quanto aos valores definidos na tabela VI, os elementos cádmio,
mercúrio e urânio ficaram abaixo dos limites de periculosidade, se enquadrando como resíduo não
inerte e não tóxico, ou seja, classe II. Os elementos arsênio, chumbo e cromo total foram superiores
aos padrões aceitáveis para resíduos considerados perigosos, ou seja, classe I.
3.3. Caracterização Mineralógica
Amostras do carvão alimentado e as cinzas pesadas e leves decorrentes da queima, das três
usinas em estudo, foram analisadas. Em cada matéria-prima, os resultados foram semelhantes. A
figura 10 mostra o difratograma típico do carvão alimentado, a figura 11 é o difratograma de uma
amostra de cinza pesada e a figura 12 é o difratograma de uma amostra de cinza leve.
Figura 10. Difratograma do carvão alimentado.
Figura 11. Difratograma da cinza pesada.
Figura 12. Difratograma de cinza leve.
Os difratogramas mostram algumas diferenças. No carvão (figura 10), ficam evidentes as
fases cristalinas quartzo, caulinita e calcita como principais minerais associados. Na cinza pesada
(figura 11), além do quartzo, verifica-se a substituição de caulinita por mulita, processo que ocorre
durante a combustão do carvão. A detecção de plagioclásio na cinza pesada deve-se ao aumento de
sua concentração nesta amostra, pela queima do carvão; neste, antes da queima, o plagioclásio
deveria estar em concentrações inferiores ao limite de detecção do difratômetro de raios-X.
4. APROVEITAMENTO DAS CINZAS
Considera-se que as duas amostragens e os atuais resultados permitem uma avaliação muito
superficial sobre o potencial das cinzas como matéria-prima em algumas aplicações industriais.
Com o estudo completo espera-se um panorama mais consistente, especialmente para as cinzas
pesadas.
A construção civil é, de longe, o setor mais importante para a utilização das cinzas. As
indústrias cimenteiras brasileiras utilizam as cinzas volantes em grandes quantidades, a ponto de
esta matéria-prima ser alvo de disputa entre as indústrias consumidoras. Este é o potencial para a
aplicação das cinzas leves analisadas neste estudo, que têm características adequadas ao mercado, e
cuja produção nas usinas em questão já se destina às indústrias cimenteiras. No final da pesquisa,
pretende-se identificar aplicações mais nobres e talvez economicamente mais rentáveis para este
produto.
Na medida em que a disputa por cinzas volantes tem se acirrado, verifica-se certo interesse
das indústrias cimenteiras por cinzas pesadas. A escassez das leves tem levado indústrias a utilizar
as cinzas pesadas que apresentem baixas quantidades de carvão incombusto, entre outras
características. Uma das empresas que geram cinzas pesadas em suas usinas termelétricas tem
destinado pequena parcela de sua produção de cinzas pesadas neste segmento, caracterizando um
potencial interessante para a matéria-prima, especialmente quando se verifica uma demanda
crescente na construção civil. Se esta for uma tendência de mercado, e se obtido um modelo
econômico favorável, no final deste estudo pretende-se propor alguma rota de beneficiamento para
agregar qualidade e destinar o produto àquele fim. Uma investigação de Kula e outros (2002)
demonstrou a possibilidade de utilização da mistura de resíduos da combustão de carvão como
substituto parcial do cimento na produção de concreto.
Além da indústria cimenteira, este estudo mostra resultados que indicam potencial das
cinzas pesadas para uso nas indústrias cerâmica, de filtros, de blocos e tijolos, bem como para base
na pavimentação de rodovias, entre outros. Estas alternativas deverão ser consideradas e
tecnicamente mais bem fundamentadas no final do mesmo.
5. CONCLUSÕES
As curvas de distribuição granulométrica das cinzas pesadas indicam semelhanças entre as
amostras das três usinas, embora uma amostra da usina Tractebel apresentasse cerca de 11% de
grãos grossos acima de 9,5 mm. No geral, pode-se dizer que mais de 55% das massas de cinzas
pesadas têm granulometria inferior a 0,6 mm. Quanto às cinzas leves, os produtos das usinas
Braskem e CMPC são mais finos, com D50 variando entre 11 e 17 micra, enquanto que uma amostra
da Tractebel ficou com D50 em torno de 50 micra.
As densidades reais foram muito semelhantes nas matérias-primas pesadas e leves, com
valores em torno de 2,3 g/cm3 nas pesadas e 2,2 g/cm
3 nas leves.
Os ensaios de colorimetria, não usuais para materiais desta natureza, foram realizados para
se investigar eventual correlação entre presença de material incombusto nas cinzas, bem como teor
de substância química, tendo em vista a possibilidade de redução nos custos de monitoramento de
cinzas. A pouca quantidade de informações não possibilita uma análise consistente sobre estas
questões.
Uma amostra de cinza pesada submetida ao teste de moabilidade, para o cálculo do Índice de
Trabalho de Bond (Wi), resultou no valor de 11,9 kWh/t. Este teste possibilita uma avaliação
técnica e econômica para a implantação de processos de moagem de matérias-primas; o valor
definido pode ser considerado médio para a natureza do material.
Quanto ao pH, foram definidos valores em torno de 9 para as cinzas pesadas, e em torno de
12 para as cinzas leves, indicando que os materiais têm características alcalinas, mais acentuadas
nas cinzas leves.
As análises químicas mostraram algumas tendências para elementos e substâncias
analisadas. Os resultados para nitrogênio, hidrogênio e enxofre estão em intervalos de valores
considerados normais para as duas matérias-primas, nas amostras das três usinas. Entretanto, o teor
de carbono é elevado nas cinzas pesadas das usinas Braskem e CMPC, podendo ser indicativo de
problemas ocorridos durante a queima de carvão.
Quanto aos principais elementos (óxidos), os valores são semelhantes entre as diversas
amostras. Em geral, as matérias-primas são formadas por silicatos e aluminatos amorfos, com altos
teores de ferro (especialmente nas cinzas pesadas) e baixos teores de metais alcalinos.
Alguns metais foram analisados em uma amostra de cinza leve e uma de cinza pesada.
Elementos como Cd, Hg e U ficaram abaixo do limite de periculosidade, de acordo com a norma
ABNT NBR 10004/2004, se enquadrando como resíduo de classe II. Os elementos As, Pb e Cr total
tiveram valores que os enquadram em resíduos de classe I da referida norma.
Amostras de carvão beneficiado e de cinzas leves e pesadas decorrentes foram analisadas em
difratômetro de raios-X. Quartzo, caulinita e calcita são os minerais associados ao carvão. Nas
cinzas, quartzo, mulita e plagioclásio são os minerais associados.
A quantidade de amostras analisadas não possibilita uma análise mais crítica sobre os
potenciais das cinzas nos diferentes usos elencados na Introdução deste artigo. Na atual fase dos
estudos, apenas é possível atestar a qualidade das cinzas leves como matéria-prima para a indústria
cimenteira. O uso de cinza pesada como mistura nesta indústria também pode ser considerada uma
opção para a escassez na oferta das cinzas leves, fato verificado em uma das usinas amostradas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, por financiar parte do projeto de pesquisa e oferecer bolsas
de iniciação científica, mestrado e produtividade a pesquisadores e alunos envolvidos no projeto; à
empresa Copelmi Mineração Ltda., por financiar parte do projeto e disponibilizar instalações,
laboratórios e funcionários para os estudos; às empresas Braskem S/A, CMPC Celulose
Riograndense e Tractebel Energia S/A, por permitirem acesso às usinas termelétricas e às
amostragens.
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