Carvão é uma rocha sedimentar combustível constituída por uma mistura de substâncias orgânicas contendo carbono, hidrogênio e oxigênio, além de teores baixos de nitrogênio, enxofre entre outros elementos. Também contém uma porção inorgânica, devido a presença de silicatos, aluminatos dentre outros óxidos.
O carvão mineral foi gerado a partir da interrupção do processo de decomposição de matéria vegetal (restos de plantas) acumulada sob uma lâmina de água que, em condições normais, decomporiam a celulose. Ao longo de dezenas de milhares de anos, estes depósitos foram sendo soterrados por matéria mineral (areia e argilas), em função dos movimentos tectônicos, provocando um aumento da temperatura e da pressão sobre a matéria orgânica, expulsando o oxigênio e o hidrogênio levando a concentração no teor de carbono (RIZZO, 2009).
O processo que converte a matéria orgânica em combustíveis, através de diferentes estágios consecutivos é conhecido como carbonificação. O processo químico de carbonificação do carvão mineral reduz-se a maceração dos vegetais sob a água das selvas pantanosas, seguida de uma fermentação anaeróbica em meio hídrico dos hidratos de carbono, do qual são formados hidrogênio, metano e anídrico carbônico (RIZZO, 2009). Desta forma, à medida que a matéria orgânica vai sendo soterrada, sua constituição físico-química vai se alterando, o teor de carbono vai progressivamente aumentado, enquanto que os compostos voláteis (H2O, CO, H2, CH4 entre outros) vão diminuindo.
Os diferentes tipos de carvões são formados devido:
Tipos de plantas (algas, cogumelos, samambaias, árvores de grande porte entre outros) Processo de fossilização (profundidade da camada de água, oxigênio disponível e etc.) Variações do clima, alterações de relevos e movimentos geológico,
Tais fatores citados acima levam a variações na composição química, densidade, umidade, teor de cinza, teor de matéria volátil e poder calorífico dos carvões.
De acordo com a maior ou menor intensidade da carbonificação ou por assim dizer maturidade do carvão, são definidos quatro estágios na formação: turfa, linhito, hulha (carvão betuminoso e sub-betuminoso) e antracito. Na Tabela III.3 pode-se observar os dados comparativos dos tipos de carvões minerais.
Tabela III.3: Dados comparativos de diversos estágios do carvão mineral
Característica Unidade
Tipo de carvão mineral
Turfa Linhito Hulha Antracito
Carbono fixo % ±55 65 a 75 69 a 86 90 a 96 Matéria volátil % ±60 ±40 10 a 45 3 a 10 cinzas % ±10 ±9 0,5 a 40 3 a 30 oxigênio % ±33 25 3 a 11 4 a 11 Hidrogênio % ±6 5 4,5 a 5,5 2 a 5 Poder calorífico inferior kJ/kg 16.700 a 23.860 Até 23.860 23.860 a 40.200 34.300 a 85.000
(Fonte: Adaptado RIZZO, 2009)
Observa-se que quando maior o teor de carbono no carvão mineral, maior seu poder energético. O emprego dos diversos tipos de carvão mineral para fins industriais leva em consideração poder calorífico, matéria volátil, natureza do resíduo (cinzas por exemplo) entre outros.
De acordo com o teor de matéria volátil presente nos carvões minerais, estes podem ser classificados como: carvões baixo voláteis (BV) apresentam matéria volátil entre 14 a 22%, médio voláteis (MeV) entre 22 a 31% e alto voláteis (AV) 31 a 40%.
Já considerando o rank, o carvão é classificado em função do seu grau de evolução ou metamorfismo (RIZZO, 2009). De acordo com a norma ASTM D388-99 os seguintes aspectos são considerados para proceder a classificação:
Teor de carbono fixo (base seca); Teor de matérias voláteis (base seca); Poder calorífico superior e;
Capacidade de aglomeração do carvão.
O carvão mineral é composto de inúmeras substâncias orgânicas e inorgânicas. Estes constituintes estão arranjados em um padrão de textura que podem ser visualizados ao microscópio óptico, através da técnica denominada petrografia. E apesar do carvão ser classificado como rocha, sabemos que ele contém constituintes orgânicos, e estes são chamado de grupos macerais. O constituinte fundamental (maceral) apresenta uma determinada homogeneidade de aparência, possibilitando sua identificação pelo uso do microscópio ótico de luz refletida. Propriedade como: refletância, cor, morfologia, tamanho, anisotropia e dureza podem ser utilizadas para classificar um maceral (RIZZO, 2009).
De acordo com a Comissão Internacional de Estudos sobre Carvão e Petrologia (ICCP), os macerais podem ser classificados em três grupos:
Vitrinita: Apresenta refletância média. Grupo importante devido sua abundância e porque sofreu maiores transformações durante o processo de carbonificação. É formado a partir de matérias ricas em lignina, como caules raízes e folhas. Durante o aquecimento apresenta propriedades de inchamento e plasticidade.
Exinita ou Liptinita: Apresenta refletância inferior à vitrinita. Grupo presente em menor proporção. São normalmente originados de algas, resinas e esporos de plantas. Possui propriedade fluorescente e apresenta alto teor de hidrogênio e matéria volátil, assim quando aquecido a elevadas temperaturas resulta em pouco resíduo sólido. Não são observados sua presença em carvões com baixo voláteis e começam a desaparecer em carvões com médio teor de voláteis.
presente em quantidade. O grupo da inertita provém da mesma matéria orgânica que levou à formação do grupo da vitrinita, contudo a matéria orgânica sofreu com efeitos da oxidação. Possui maior densidade e maior quantidade de compostos aromáticos, apresentando elevado teor de carbono e baixo teor de matéria volátil.
Com a análise petrográfica do carvão, por medida de refletância da vitrinita sob imersão em óleo, obtém-se a melhor definição do rank já que a refletância varia de forma sensível com o grau de carbonização. A utilização da vitrinita se dá pela sua abundância, relativamente fácil de ser isolada e porque suas propriedades variam de modo contínuo com o curso da carbonização (RIZZO, 2009).
O carvão mineral utilização para produção do coque difere-se em alguns aspectos do carvão pulverizado utilizado para injeção. Chamado de carvão coqueificante, este deve possuir propriedades coqueificantes, isto é, quando aquecido em ausência de ar, ele deve amolecer, inchar, aglomerar e solidificar na forma de um sólido poroso e rico em carbono (OSÓRIO, 2008). E produzir um coque capaz de cumprir suas funções como combustível, redutor, carburante, componente estrutural e permeabilizador (RIZZO, 2009). As siderurgicas acabam por empregar misturas de carvões que apresentam propriedades coqueificantes distintas para atender as características exigidas para o seu emprego, de forma que fatores econômicos são levado em consideração.
Já o carvão pulverizado para injeção é capaz de substituir parte do coque, mas não é necessário que possua as características aglutinantes (OSÓRIO, 2008) e sim restrições físico- químicas como, por exemplo, teores limites aceitáveis de cinzas, enxofre, álcalis e com desejáveis teor carbono e poder calorífico altos. O carvão ou mistura de carvões mais adequados para injeção fica a cargo das necessidades operacionais, econômicas e ambientais do processo.