carvao

Isto é Verdade?


O preço da tecnologia

14/04/2011 - Fonte: O Globo Negócios & Cia

Há muitos desafios no desenvolvimento do sequestro de gás carbônico - tecnologia limpa que Eike Batista popularizou, ao defender as Termelétricas a carvão no lugar de usinas nucleares.

Cálculos da Coppe/UFRJ mostram que uma termelétrica adaptada para a nova tecnologia - que consegue absorver o CO2 que é liberado com outros gases na queima do carvão - vai gerar uma energia, por ora, com o dobro do preço.

Numa usina sem a tecnologia do sequestro do gás causador do Efeito Estufa, o custo de geração de energia é de US$80 o megawatt/hora.

Numa usina adaptada, pula para US$150 a US$160, explica o professor de planejamento energético da Coppe, Alexandre Szklo.

Para conseguir captar 90% do CO2, têm de ser usados 30% da energia gerada pela termelétrica. E há o próprio gasto na unidade de absorção do CO2.

Há outras questões a vencer.

Nas Termelétricas com captura, a demanda por água é 60% a 80% maior.

O processo gera ainda duas mil toneladas por ano de resíduos, como sais orgânicos, que têm de ser tratados.

A captura de CO2 em usinas transformadas ainda é feita em pequena escala no mundo, e no Brasil é Eike quem estuda.

Para construir uma termelétrica do zero com a nova tecnologia, o custo será menor. O carvão será gaseificado (processo ainda não totalmente dominado), e a captura do CO2 será feita antes da combustão, de forma mais simples.

O MWh sairia por US$100. Uma curiosidade: cinzas emitidas por uma termelétrica (a queima "potencializa" o urânio e o tório contidos no carvão) têm cem vezes mais radiação do que o que sai naturalmente de uma usina nuclear.

Está em reportagem de 2007 da revista "Scientific American".

Para ninguém se assustar: os níveis em ambos os casos são inofensivos. Limpar o processo de usina a carvão gera uma energia com o dobro do custo.

Agência Internacional de Energia (IEA)


A IEA é uma organização criada em 1974 dentro da Organization for Economic Co-operation and Development (OECD) para implementar um programa energético internacional.

Os objetivos da organização são:

  • Manter e aprimorar mecanismos para lidar com crises de suprimento de petróleo;
  • Promover o uso racional da energia;
  • Operar sistema permanente de informação sobre o mercado internacional de petróleo;
  • Desenvolver fontes alternativas de energia e seu uso eficiente;
  • Promover a colaboração internacional na área de tecnologia energética;
  • Auxiliar na integração das politicas ambientais e energéticas.

Os países membros da OECD são: Australia, Austria, Bélgica, Canada, República Tcheca, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Islandia, Irlanda, Itália, Japão, Coréia, Luxemburgo, México, Holanda, Nova Zelândia, Noruega, Polônia, Portugal, Eslováquia, Espanha, Suécia, Suiça, Turquia, Reino Unido, EUA.

Destes 30 países, apenas Islandia e México não pertencem a IEA.

OECD América do Norte é formada por Canada, Mexico e USA.

OECD América Latina é o restante da América. Observem que México não é considerado América Latina.

OECD Pacífico é formado por Austrália, Japão, Coréia e Nova Zelândia.

China é a República Popular da China e Hong Kong.

Não OECD Europa é formado por Albania, Bósnia, Herzegovina, Bulgária, Croácia, Chipre, Gibraltar, Macedonia, Malta, Romania, Servia, Montenegro e Eslovênia.

Turfa


A Turfa (Peat) é um parente remoto do carvão e, geologicamente, é mais novo que o lignito. Ela possui um poder calorífico inferior e um conteúdo de água elevado.

Subprodutos do Carvão


Patent Fuel

Patent Fuel é um combustível manufaturado a partir de pó de carvão com a adição de um aglutinante tipo betume. Seu poder calorífico é elevado e pode chegar a 7500 kcal/kg. Porém, ele só existe em cerca de 10 países concentrados na Europa.

Coke Oven Coke

Coke oven coke é um produto sólido obtido a partir da carbonização do carvão, normalmente coque, a altas temperaturas.

Alcatrão de Carvão

Alcatrão de carvão (Coal Tar) é um subproduto líquido obtido a partir da destilação destrutiva do carvão sub-betuminoso na fabricação de coque.

BKB

Brown Coal Briquettes (BKB) é um combustível composto obtido a partir do Brown Coal. O carvão é quebrado, seco e moldado em pedaços padronizados a alta pressão sem a introdução de aglomerantes.


Definições

As características do carvão podem ser referidas às seguintes condições ou bases.

As Sample (as): Como Amostrada

Inclui a umidade existente na ocasião de recolhimento da amostra na mina, porto, navio.

As Received (ar): Como Recebido

Inclui toda a umidade existente na amostra quando recebida no laboratório.

As Determined (asd): Como Determinado

Inclui a umidade existente nas condições do laboratório no momento do ensaio.

Air Dried (ad): Seco ao Ar

Inclui a umidade existente na amostra após ter entrado em equilibrio com a umidade relativa do ar no laboratório.

Dry Basis (db): Base Seca

Exclui toda a umidade

Dry Ash Free (daf): Seco sem cinza

Exclui toda a umidade e as cinzas

Unidades


tce

Uma tonelada equivalente de carvão (tce tonne equivalente of coal) equivale a 0,7 toneladas equivalentes de petróleo (toe tonne of oil equivalent)

1 MJ/ton = 0,2388 kcal/kg

1 MJ/ton = 1 kJ/kg

1 MJ/ton = 277,78 kwh/kg

É importante observar que, ao utilizar kwh/kg como unidade do poder calorífico do combustível, não a eficiência da usina não está considerada.

1 long ton (lt)=1,016 ton (t)

1 short ton (st)=0,9072 ton (t)

 

Trabalho Proposto


Faça um vídeo sobre o processo de combustão em uma churrasqueira.

Este vídeo pode não ensinar nada sobre combustão mas vai ensinar a fazer churrasco.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capítulos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introdução


Conforme mostra a figura abaixo, os combustíveis sólidos utilizados na geração de energia são o Carvão, o Coque de Petróleo, o Bagaço de Cana e resíduos diversos.

Os combustíveis sólidos foram, historicamente, a principal fonte primária de energia utilizada pelo homem.

A descoberta do controle do fogo pelo homem foi uma marca importante na história da raça humana e o combustível sólido esteve sempre presente desde então.

Do ponto de vista de geração de energia elétrica, o carvão ainda é o mais importante.

Contudo, este cenário deverá se modificar no futuro.

 

 

 

Combustão de Combustíveis Sólidos


Apesar do combustível sólido ter uma longa história de utilização pelo homem, os segredos da sua combustão ainda não foram totalmente dominados.

De acordo com Miller, a combustão de combustíveis sólidos envolve processos físicos e químicos e pode ser representada pela seguinte reação simplificada:

As principais simplificações nesta reação são:

  • Ausência do Oxigênio no combustível;
  • Ausência do Nitrogênio no combustível;
  • Ausência de substâncias inorgânicas.

Estas simplificações não afetam muito o balanço energético destes combustíveis mas não podem ser desprezados em outros casos, como no estudo de emissões.

A figura abaixo mostra a estrutura geral de partículas de combustível sólido.

 

A umidade do ar, do solo e da chuva são as fontes de umidade para o combustível sólido que, em função da porosidade e do tipo de combustível, permanece mais ou menos impregnada na partícula.

Esta parcela do combustível apenas absorve parte da energia do combustível para evaporar e sair do processo com os gases resultantes da combustão na forma de vapor.

Os componentes voláteis são as substâncias presentes nas partículas que, ao serem aquecidas, se desprendem das partículas sólidas e se transformam em gases combustíveis.

Esta parcela do combustível absorve parte da energia da combustão para se separar da parte sólida da partícula mas, ao se misturar com ar com temperatura adequada, entra em combustão e libera energia.

Por sua vez, o carbono sólido é a parte do combustível sólido que permanece neste estado durante todo processo de combustão deste combustível.

Finalmente, as cinzas são os compostos inorgânicos que permanecem no estado sólido e ou líquido durante o processo de combustão e não entram em combustão.

Isto significa que esta parcela do combustível sólido não fornece energia mas absorve parate da energia da combustão no seu aquecimento

Em função desta estrutura do combustível, o fluxograma abaixo resume as etapas da combustão de combustíveis sólidos.

 

 

Aquecimento

Inicialmente, o combustível sólido é aquecido até à temperatura de vaporização da água, que depende da pressão no interior da caldeira.

Para aumentar a eficiência do processo, o combustível sólido é previamente processado para que as partículas tenham um tamanho uniforme.

Quanto menor o tamanho da partícula de combustível, mais rápido será o processo de combustão. Por outro lado, quanto menor este tamanho, mais energia deve ser gasta no processamento do combustível.

Como as partículas são porosas, parte da umidade encontra-se no interior do combustível. Por isso, durante a fase de aquecimento, é comum a explosão da partícula formando partículas ainda menores.

O processo de aquecimento é endotérmico e, por isso, absorve calor. Por isso, combustíveis auxiliares são necessários para iniciar a combustão dos combustíveis sólidos.

De acordo com MIller, a transferência de calor no interior da partícula, considerada esférica, é dada pela equação abaixo:

Onde:

  • k é a condutividade térmica do combustível;
  • A é a área da partícula de combustível;
  • Ts é a temperatura na superfície da partícula de combustível;
  • Tc é a temperatura no centro da partícula de combustível;
  • r é o raio da partícula de combustível.

Pirólise

Durante esta fase, uma vez que não existe mais água para ser vaporizada, a temperatura da partícula volta a subir mas o Oxigênio é insuficiente para oxidar o Carbono, Hidrogênio e Enxôfre existentes no combustível.

Nesta fase, hidrocarbonetos são quebrados formando Alcatrão e Carvão e o calor necessário continua sendo obtido da combustão ocorrida anteriormente.

O Carvão gerado é sempre sólido mas o Alcatrão pode ser líquido ou gasoso, dependendo da temperatura.

A quantidade de Alcatrão e Carvão gerados dependem da temperatura da câmara de combustão e da composição do combustível.

Combustão dos Voláteis

A combustão dos voláteis envolve diversas reações químicas complexas que ocorrem muito rapidamente.

As reações são catalizadas pela existência de radicais livres, principalmente os OH.

Eles são os mais importantes porque iniciam as reações e as propaga de forma extremamente rápida.

A partir do início da combustão dos voláteis, a particula de combustível sólido começa a liberar energia.

Combustão dos Sólidos

A matéria sólida restante após a queima dos voláteis é chamada de carvão, independentemente do combustível sólido inicialmente utilizado.

A combustão deste carvão começa quando o oxigênio consegue encontrar a superfície da partícula sólida aquecida a acima da sua temperatura mínima de combustão.

As reações abaixo são algumas das possíveis de ocorrer durante a combustão do carvão.

Observa-se que a combustão completa do carbono não ocorre sempre devido à dificuldade do oxigênio penetrar na superfície porosa do combustível.

Por isso, a combustão parcial do carbono leva a formação de monóxido de carbono que posteriormente é queimado.

 

Carvão


O carvão pode ser considerado uma rocha orgânica sedimentária.

Ele consiste em moléculas de carbono, hidrogênio, oxigênio e, parcelas menores, de nitrogênio e enxofre formadas a partir de processos bio-físico-químicos.

A parcela inorgânica, sempre muito encontrada no carvão e denominada genericamente de cinzas, funciona como uma mistura e não participa da composição química da parcela orgânica.

A figura abaixo ilustra uma possível molécula de carvão.

molecula carvao

Portanto, o carvão não é um produto homogênio. Na verdade, sua composição e, consequentemente, suas propriedades de combustível variam de mina para mina.

Classificação do Carvão


Por conveniência, toda a gama contínua de carvões é classificada em:

  • Antracito;
  • Betuminoso;
  • Sub-betuminoso;
  • Lignito ou linhito.

Esta classificação está diretamente relacionada com a idade geológica do carvão, onde o primeiro grupo, Antracito, é o mais antigo e o último, Lignito, é o mais novo.

A classificação do carvão em categorias práticas e de uso internacional é difícil porque os sistemas de classificação ainda não foram unificados no mundo e existem características que afetam a qualidade do carvão que independem da idade do carvão.

Os critérios internacionais utilizados para a classificação dos carvões baseam-se em:

  • Poder calorífico;
  • Conteúdo de material volátil;
  • Conteúdo de carbono fixo;
  • Propriedades de coqueificação.

Além disso, o valor comercial do carvão também é afetado por propriedades que independem de sua idade geológica, tais como:

  • umidade;
  • cinzas;
  • conteúdo de enxofre, fósforo, nitrogênio, etc...

Por isso, a Comissão Econômica Européia classifica o carvão em dois grupos:

  1. Hard Coal - Carvões com poder calorífico bruto maior do que 5.700 kjcal/kg (23,9 GJ/t) medido sem cinza mas com umidade e com reflectância aleatória média maior que 0,6.
  2. Brown Coal - Carvões com poder calorífico bruto menor do que 5.700 kjcal/kg (23,9 GJ/t) com conteúdo volátil maior do 31% em base seca.

A Agência Internacional de Energia (International Energy Agency -IEA), sediada na Europa, utiliza esta classificação em todos os seus trabalhos e banco de dados e, consequentemente, é a definição utiliza neste site.

Em termos comerciais e de aplicação, o carvão é classficado em:

  1. Coque;
  2. Carvão Térmico.

O coque é um Carvão Duro (Hard Coal) utilizado na produção de aço e, por isso, precisa ter a capacidade de resistir mecanicamente ao peso de uma carga de fornos siderúrgicos.

Por outro lado, o Carvão Térmico (Steam Coal) também é um Carvão Duro (Hard Coal) que não precisa dessa característica mecânica porque é utilizado para a geração de vapor. Este vapor gerado pode ser usado tanto para a geração de eletricidade ou como fonte de calor em processos industriais. Como as caldeiras modernas utilizam carvão pulverizado, é desejável que o Carvão Térmico não tenha a mesma resistência mecânica que a do coque para facilitar a moagem.

Portanto, a IEA calcula o Hard Coal como sendo a soma do Coque (Coking Coal) e do Carvão Térmico (Steam Coal) e igual à soma dos carvões classificados como Antracito e Sub-Betuminoso.

Porém, alguns países utilizam seu carvão sub-betuminoso na geração de vapor e, consequentemente, o classificam como carvão térmico. Isto cria uma dificuldade na análise dos dados globais e na comercialização.

O Brown Coal é a soma dos carvões Sub-betuminosos e Lignitos.

Os Sub-betuminos são carvões não aglomerados com poder calorífico bruto entre 4165 kcal/kg e 5700 kcal/kg e os lignitos também são não aglomerados com poder calorífico bruto abaixo de 4165 kcal/kg.

Teoricamente, é possível gerar energia elétrica com todos os tipos de carvão.

Contudo, aspectos econômicos, logísticos e tecnológicos levaram a geração de energia elétrica ser feita apenas com carvão térmico.

Não tem sentido utilizar carvão metalúrgico para geração de energia porque deixaríamos de produzir aço e teríamos dificuldade de transformar o carvão em pó para as caldeiras. Por isso,o carvão metalúrgico é utilizado totalmente na siderurgia e seu preço é normalmente superior ao preço do carvão térmico ou energético.

A utilização de Brown Coal para a geração de energia elétrica é possível mas, como seu poder calorífico é menor, é necessário queimar uma quantidade maior de carvão para a geração de mesma quantidade de eletricidade. Isto só é economicamente viável se o preço do combustível for muito mais barato e/ou se o custo de transporte for inferior.

Por isso, a utilização de Brown Coal na geração de energia elétrica está registrita aos países produtores deste carvão e ele é pouco comercializado no mercado internacional devido ao custo do transporte.

Classificação do Carvão no Mundo
  Tipos de Carvão
Pais Antracito Betuminoso Sub-Betuminoso Linhito
 
Hard Coal
Brown Coal
Mundo

 

Coque + Térmico

Australia
Térmico
 
Bélgica  
Finlândia  
França  
Islandia  
Japão  
Coréia  
México  
Nova Zelândia  
Portugal  
USA  

 

 

 

Análise do Carvão


Como o carvão é um produto heterogêneo, análises são necessárias para classificá-lo e compará-lo.

Existem dois tipos de análise para a classificação do carvão e/ou controle de qualidade:

  • Análise Aproximada (Proximate Analysis);
  • Análise Detalhada (Ultimate Analysis).

Análise Aproximada

A análise aproximada fornece apenas os dados de umidade, cinzas e matéria volátil.

Umidade

Conforme visto no capítulo de combustíveis, a umidade presente no combustível reduz seu poder calorífico. Portanto, a determinação correta da umidade é fundamental na utilização do carvão e em seu comércio.

Devido à estrutura porosa do carvão, quantidades consideráveis de água podem ser armazenadas no carvão mesmo quando aparentemente seco. A umidade existente no ar ao seu redor penetra nos poros do carvão aprisionando quantidades significativas de água.

Em função disso, diversas condições do carvão foram definidas.

A umidade de uma amostra (ar) é determinada pelo aquecimento da amostra a 105°C em atmosfera inerte (sem oxigênio) durante uns 90 minutos. A perda de peso da amostra antes e depois do aquecimento é considerada igual ao peso da umidade.

Poder Calorífico


O poder calorífico é a principal característica de todos os combustíveis.

A Tabela em anexo apresenta o poder calorífico do carvão

Umidade


Conforme visto anteriormente, a umidade reduz o poder calorífico dos combustíveis. Como o carvão é um material poroso, a umidade varia até com a variação da umidade atmosférica.