Coque de Petróleo

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Estudo ambiental da utilização do coque de petróleo na cogeração de energia elétrica em 
comparação com o carvão mineral 
 
 
Rolden Baptista 
 
Professor nos Cursos de Engenharias e Tecnológicos 
UNIMONTE – Centro Universitário Monte Serrat – Santos – SP 
rolden.baptista@unimonte.edu.br 
 
 
Fábio de Oliveira Cardoso 
 
Engenheiro Eletricista – Santos - SP 
engfabiocardoso@hotmail.com 
 
 
 
Resumo: O petróleo é uma poderosa fonte de energia e através do processo de refino, 
podem ser obtidos uma série de produtos derivados que são utilizados em aplicações 
diversas. Esta operação gera um resíduo denominado de coque de petróleo, e que no início 
do século XX era simplesmente descartado. Atualmente o coque é uma alternativa ao uso 
carvão mineral. Ele é composto basicamente de carbono, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, 
cloretos e oxigênio. Na queima do coque em alto forno há a liberação de enxofre e 
nitrogênio que podem ser canalizados para movimentar turbinas gerando energia elétrica. 
Preserva-se assim o meio ambiente destas impurezas do processo e se poupa o uso de 
carvão mineral da natureza. 
 
Palavras Chaves: Coque, cogeração, energia elétrica, meio ambiente, carvão mineral. 
 
Summary: Oil is a powerful source of energy and through the refining process, can be a 
series of derivatives that are used in various applications. This operation generates a residue 
called petroleum coke, and that in the early twentieth century was simply discarded. 
Currently coke is an alternative to using coal. It is composed primarily of carbon, hydrogen, 
nitrogen, sulfur, chlorides and oxygen. In the burning of coke in the blast furnace is the 
release of sulfur and nitrogen that can be channeled to move turbines generating electricity. 
Thus preserving the environment of the process such impurities and saves the use of coal. 
 
Key Words: Coke, cogeneration, energy, environment, coal. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
O petróleo desde sua descoberta em volumes comerciais, em 1859 na Pensilvânia, 
EUA, vem sendo uma fonte de energia fundamental para a humanidade. Carros, trens, 
barcos e aviões são movidos pela queima de seus derivados combustíveis. Do universo de 
produtos gerados a partir do petróleo, destacam-se os óleos lubrificantes, o asfalto das ruas, 
matéria-prima para a indústria petroquímica como derivados do óleo crú (eteno, buteno e 
benzeno) para fabricação de plásticos e fibras entre outros (FARAH, 2012). 
O forte crescimento no consumo dos derivados de petróleo se deu entre 1920 e 1973 
e muitas guerras ocorreram por sua causa, como conflitos no Oriente médio e a guerra do 
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Golfo-Pérsico. No Brasil o consumo foi intensificado a partir de 1979, ocasião onde teve uma 
grande alta no seu preço, decorrente da guerra Irã-Iraque (FARAH, 2012). 
Atualmente o Petróleo é responsável por 37% da energia primária mundial (British 
Petroleum Review of Energy World 2011) como pode ser observado nos Gráficos 1 e 2. 
 
 
Gráfico 1 – Consumo de Energia Primária Gráfico 2 – Consumo de Energia Primária 
 (Fonte: British Petroleum Review of Energy World 2011). 
 
A busca por fontes alternativas de energia é muito discutida atualmente e a busca por 
reaproveitamento energético é amplamente aceito. No caso do petróleo, há um resíduo 
sólido que é amplamente utilizado em ambiente industrial e em termelétricas que é o coque 
de petróleo. 
Ele é um produto sólido com 90 a 95% de sua composição de carbono e é resultante 
do processo de destilação a vácuo do petróleo observado na Figura 1. Pode ser obtido a 
partir do craqueamento térmico e sua granulometria varia de 0 a 75mm e é conhecido no 
Brasil como petrocoque (petcoke do inglês)( C. Cardoso, 2006). 
 
Figura 1 – Esquema de Produção coque (Fonte: www.anp.gov.br) 
 
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2. Objetivo 
Demonstrar o processo de obtenção do Coque, da cogeração de energia elétrica 
através da queima do coque em termelétricas ou usinas siderúrgicas e estabelecer um 
comparativo com a vantagem em substituição do carvão mineral. As principais vantagens 
para o meio ambiente são: fonte de energia alternativa de eletricidade, processo limpo de 
poluição na queima do coque e preservação da não utilização do carvão mineral. 
 
3. Revisão Bibliográfica 
O coque pode ser formado a partir da condensação de compostos aromáticos 
polinucleares (como em n-butil-naftaleno) (FAHIM, 2012) e este tem uma relação dada pela 
equação 1 de de 0,73 (Chang e Robinson, 2006). Seu preço pode variar de US$ 20,00 por 
tonelada e dependendo do mercado chega a US$ 80,00 (siderúrgicas) e US$ 100,00 
(indústria de alumínio) por tonelada (de Carmargo et al, 2006). 
 
Relação de formação do coque=H/C (1) 
 
3.1 Craqueamento 
Craqueamento térmico é o craqueamento de resíduos pesados sob condições térmicas 
severas. O coqueamento, por sua vez, é o processo de policondensação de carbono dos 
resíduos pesados que produz componentes mais leves, uma vez que a maior parte de 
enxofre fica retido no coque formado (Fahim, 2012). Existem três categorias de processos 
industriais de craqueamento térmico: viscorredução; coqueamento retardado e 
craqueamento térmico severo. 
Muitos sistemas exigem energia em forma de calor como indústrias químicas, de 
celulose e papel, refinarias de petróleo, fabricantes de aço, processadoras de alimentos e 
industrias têxteis. Em geral esta energia é transferida pela queima de carvão, óleo, gás 
natural, coque ou outro combustível em uma câmara de combustão (alto forno)(Çengel, 
2006). 
3.2 Produção de Coque 
A produção de coque de petróleo tem aumentado ano a ano tudo para ampliar a 
participação do coque no mercado interno e também manter a Petrobras em evidência no 
mercado externo. As vantagens além do preço competitivo, ele gera poucas cinzas ao ser 
queimado, tem alto poder calorífico e baixo teor de enxofre, o que o torna menos poluente. 
No exterior, há coques com 7% de enxofre, enquanto o Brasil tem cerca de 0,8%. 
Atualmente a produção de coque no Brasil corresponde a no mínimo 25 % do volume 
de processamento das UCR (Unidades de Coqueamento Retardado) e não dá para ser 
desprezado. As principais características dos dois tipos de coques produzidos pela Petrobras 
são: 
Coque Grau Combustível: Enxofre < 1%, poder calorífico médio de 8700 kcal/kg, cinzas 
aproximadamente 0,3%, matéria volátil aproximadamente 12% (de Camargo, 2006); 
Coque Grau Anodo: Enxofre < 1%, matéria volátil aproximadamente 10%, médio teor de 
vanádio (~ 250 ppm) (de Camargo, 2006). 
 
3.3 Consumo do coque em Indústrias 
As indústrias que utilizam grandes quantidades de calor também consomem uma 
grande quantidade de energia elétrica e através de um referencial econômico e de 
engenharia é totalmente aceitável utilizar-se do potencial de energia calorífica já existente 
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para produzir energia elétrica por cogeração, ou seja, não desperdiçando este potencial. 
Desta forma, cogeração é a produção de mais uma forma útil de energia utilizando uma 
mesma fonte de energia (Çengel et al, 2006). 
Com a utilização da queima do coque em processos industriais em câmaras de combustão a 
energia térmica produzida no processo principal de produção pode ser aproveitada para 
cogeração de energia elétrica, ou seja, há uma conversão de aproveitamento deste calor 
para eletricidade. 
Características Gerais da Composição do Coque: 
 Carbono fixo: mínimo 87%; típico 89% (em peso – base seca). 
 Enxofre: máximo 1%; típico 0,7% (em peso – base seca). 
 Matéria volátil: máximo 12%; típico 10% (em peso – base seca). 
 Poder calorífico: entre 8.200 e 8.700 kcal/kg 
 
3.4 Coque Verde 
O Coque Verde de Petróleo (CVP) é um produto sólido, obtido a partir do 
craqueamento de óleos residuais pesados em Unidades de Conversão de Resíduosdenominadas UCRs. Nesses locais é feita a destruição de resíduos da destilação de petróleo, 
principalmente Resíduo de Vácuo, com o objetivo de obtenção de derivados claros. Como 
coproduto deste processo é obtido o Coque Verde de Petróleo (CVP). 
Existem dois tipos principais de CVP: o esponja e o agulha. O primeiro é obtido a partir 
de óleos residuais de destilação a vácuo, onde a carga da unidade pode também ser 
transformada em óleos combustíveis e asfalto. O segundo é obtido a partir de óleos 
aromáticos pesados, normalmente gerados em processo de conversão térmica (alcatrão de 
craqueamento térmico) e/ou catalítico (óleo decantado). O primeiro tipo é o mais comum 
em todo o mundo, atingindo cerca de 90% da produção mundial e é aquele produzido pelas 
unidades da Petrobras. 
A principal característica do CVP produzido nas refinarias da Petrobras é o baixo teor 
de enxofre. O CVP BTE nacional tem um elevado teor de carbono fixo, possui estabilidade 
química (não explosivo, não reativo e com alto ponto de ignição), é insolúvel em água e 
possui baixo teor de cinzas e de compostos voláteis. 
 
4. MATERIAIS E MÉTODOS 
Trabalho realizado através de revisões bibliográficas, consultas a dados disponíveis em 
empresas do setor e demonstrações exemplos de utilização da Cogeração de energia em 
algumas empresas no mundo. 
 
4.1 Processo de Formação do Coque: 
A partir do craqueamento das frações residuais pesadas há um produto resultante que 
é justamente o coque de petróleo (petcoke em inglês). 
O craqueamento é composto por processos químicos que objetivam determinados 
propósitos como o craqueamento (térmico ou catalítico), viscorredução, alquilação, 
coqueamento, etc...(C. Cardoso, 2006). 
4.2 Craqueamento térmico e catalítico 
Craqueamento significa quebra (craking do inglês). Pode ser térmico quando resulta da 
elevação da temperatura (>400ºC), e são denominados de catalítico quando utilizam 
catalisadores. O Craqueamento Catalítico Fluído (FCC) é o mais moderno utilizado pelas 
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refinarias e o processo passa primeiramente por um leito fixo e em seguido por um leito 
móvel ou fluidizado (C. Cardoso, 2006). 
 
4.3 Coqueamento retardado 
Os resíduos mais pesados do processamento do petróleo podem ser convertidos em 
coque que possuem aplicações em certos tipos de indústria. A utilização como eletrodo de 
alumínio é considerada a principal aplicação do coque, mas também são utilizados na 
produção de carburetos, abrasivos, coque siderúrgico como combustível (C. Cardoso, 2006). 
Em outra versão do processo, o vapor é usado para gaseificar a maior parte do coque 
(Flexicoqueamento) (Fahim, 2012). 
 
4.4 Aplicação do Coque Em Diversos Tipos de Indústria 
A aplicação do Coque em cada segmento industrial é feita de acordo com a 
combinação de suas características com o processo industrial e, por isso, o mercado de 
aplicação é muito extenso, talvez se constituindo no produto (derivado direto do petróleo) 
com o maior potencial de utilização industrial. 
Os principais segmentos industriais onde o coque pode ser utilizado são: 
 Siderurgia (sinterização, pelotização, alto-forno, fabricação de coque metalúrgico) 
 Abrasivos (carbeto de silício); 
 Ferro-ligas; 
 Carboníferas; 
 Cerâmica; 
 Termelétricas a carvão; 
 Fundição; 
 Calcinação; 
 Gaseificação; 
 Indústria Química. 
 
4.5 Sistema de geração de energia elétrica 
Em ambientes industriais como siderúrgicas utiliza-se muita energia calorífica e uma 
forma de reutilizá-la num sistema de cogeração, ou seja, converter e aproveitar todo o calor 
e para a geração de eletricidade através de turbinas. Outro uso vantajoso para o coque é 
encontrado nas usinas de açúcar, ao ser misturado ao bagaço de cana assim pode-se manter 
a usina operando por mais tempo. O coque também serve de combustível na indústria do 
cimento, na metalurgia de alumínio, chumbo e níquel. 
Na indústria siderúrgica a eletricidade pode ser obtida através de turbina a gás e 
vapor. Como a temperatura é mais alta no primeiro ciclo do que no segundo, o potencial 
para eficiências térmicas é maior no ciclo a gás. Porém, há uma desvantagem que é 
justamente na saída do gás da turbina a temperatura ainda é muito alta (500ºC), o que 
elimina qualquer potencial de ganho na eficiência térmica. Isto pode ser melhorado com o 
uso de regeneração, mas ainda é limitado. Uma solução é a utilização desta saída para 
aquecer uma caldeira, aproveitando a saída dos gases da turbina a gás (gás de exaustão) 
para aquecer a caldeira com água e assim obter vapores para alimentar uma turbina a vapor. 
 
4.6 Cogeração 
É possível usar um ciclo de uma turbina a vapor (Rankine) ou um ciclo de uma turbina a 
gás (Baylon) ou mesmo um ciclo combinado como ciclo de potência de uma usina de 
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cogeração. A Figura 2 abaixo mostra uma planta IGCC (Ciclo Combinado de Gaseificação 
integrada) onde há turbinas a gás e turbinas a vapor. 
 
Figura 2 – Planta IGCC (Ciclo Combinado de Gaseificação integrada) 
(Fonte: MOHAMMED, 2012). 
Nos ciclos de turbina a vapor, sob condições ótimas, uma usina de cogeração simula 
uma usina de cogeração ideal, ou seja, todo o vapor se expande na turbina até a pressão de 
extração e segue a unidade de processamento térmico. Essa condição pode ser muito difícil 
de atingir na prática, devido às oscilações constantes das cargas térmicas e de potência. 
Os ciclos de turbina a gás operam em temperaturas extremamente mais altas que nos 
ciclos a vapor d’água. A máxima temperatura do fluido na entrada da turbina é de cerca de 
620ºC para usinas de potência a vapor modernas e para as usinas com turbinas a gás a 
temperatura máxima está acima dos 1425ºC (Çengel et al, 2006). Na saída da câmara de 
combustão dos motores turbo-jato a temperatura está acima dos 1500ºC. 
 
4.7 Coque atuando na Cogeração 
O uso de temperaturas mais altas nas turbinas a gás é possível pela tecnologia de 
desenvolvimentos recentes nas áreas de resfriamento das pás das turbinas e seu 
revestimento com materiais resistentes a alta temperatura se dá por conta de cerâmica. 
 
5. RESULTADOS 
5.1 Cogeração: Vantagens do Ciclo Combinado (Turbina de Gás e Turbina de Vapor) 
O ciclo combinado de turbinas de gás e vapor aumenta a eficiência sem aumentar 
muito o custo inicial. A eficiência térmica está bem acima dos 40% (Çengel et al, 2006). 
Neste ciclo combinado gás-vapor a energia é recuperada dos gases de exaustão 
transferindo-a para o vapor em um trocador de calor que faz o papel de uma caldeira. 
Geralmente mais de uma turbina a gás é necessária para fornecer o calor suficiente para o 
vapor. A energia para o processo de reaquecimento pode ser fornecida pela queima 
adicional de algum combustível nos gases de exaustão que são ricos em oxigênio. 
Este ciclo combinado gás-vapor é muito atrativo do ponto de vista econômico. 
Exemplos de turbinas a gás e a vapor são demonstrados nas Figuras 3 e 4. 
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 Figura 3 – Exemplo de Turbina a Gás Figura 4 – Exemplo de Turbina a Vapor 
 (Fonte: Siemens) (Fonte: Siemens) 
 
6. DISCUSSÃO 
6.1 Conversão de Resíduos pesados 
Segundo Mohammed et al (2012) a conversão térmica é muito importante para a 
conversão de resíduos e este é realizado em pressões relativamente moderadas e 
frequentemente é chamado de processo de coqueamento. Este processo tende aumentar a 
relação H/C dos produtos pela produção de carbono (coque), e o resíduo tem uma relação 
H/C de cerca de 0,5-1, que pode ser aumentada adicionando-se hidrogênio ou removendo 
carbono (Fahim, 2012). 
 
6.2 Impactos e benefícios Ambientais 
A legislação ambiental, em diversos países, proíbe a queima de substâncias ricas em 
enxofre que pode provocar chuva ácida. A gaseificação envolve o craqueamento completo 
dosresíduos em produtos gasosos e esta se dá em temperatura acima de 1.000ºC (gás de 
síntese, carbono e cinzas). O IGCC é um processo alternativo para conversão de resíduos 
pesados e uma tecnologia emergente para geração eficiente de energia com impacto 
mínimo ambiental (resíduos de vácuo e borra de FCC)(Fahim, 2012). 
A emissão de gases num típico IGCC é de compostos de enxofre e nitrogênio conforme pode 
ser visualizado na Tabela 1, assim, os índices de emissão de gases estão dentro dos padrões 
aceitáveis pela norma européia para usina de energia convencional conforme a Tabela 1. 
 
Tabela 1 – Emissões de compostos de enxofre e nitrogênio. 
Emissões aéreas (mg/normal m3) 
Convencional Típico IGCC Norma europeia para usina de energia 
SOx 10 130 
NOx 30 150 
Particulados 10 16 
Fonte: (MOHAMMED, 2012). 
 
6.3 Eficiência térmica e produção de Energia Elétrica 
6.3.1 Niigata no Japão: 
Em Niigata no Japão uma usina combinada Tohoku de 1.090MW em operação 
comercial desde 1985 conforme a Figura 5 e opera com uma eficiência térmica de 44%. Tem 
duas turbinas a vapor de 191MW e seis turbinas a gás de 118MW. Os gases quentes de 
combustão entram nas turbinas a gás a 1.154ºC e o vapor nas turbinas a vapor em 500ºC. O 
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vapor é resfriado no condensador por água de resfriamento na temperatura média de 15ºC. 
OS compressores têm pressão de 14, e o fluxo de massa de ar através dos compressores é de 
443kg/s (Çengel, 2006). 
 
 
Figura 5 – Usina de Tohoku em Niigata no Japão (Fonte: World Wide Web) 
6.3.2 Ambarli na Turquia: 
Uma usina de ciclo combinado de 1.350MW construída em Ambarli, Turquia, em 1.988 
pela Siemens da Alemanha é a primeira usina térmica que opera comercialmente no mundo 
a atingir níveis de eficiência tão altos quanto 52,5% nas condições de operação de projeto. 
Essa usina tem seis turbinas a gás de 150MW e três turbinas a vapor de 173MW. Algumas 
usinas recente de ciclo combinado atingiram eficiências acima de 60% (Çengel, 2006). 
 
6.4 Substituição do Carvão Vegetal 
A partir de 1990, a Companhia Siderúrgica Belgo Mineira (CSBM) partiu para a 
utilização de coque em seus altos-fornos da Usina de Monlevade conforme Tabela 2. 
 
Tabela 2 – Comparação Carvão Vegetal e o Coque 
Qualidade Item Unidade 
Valor 
C. Vegetal Coque 
Química 
Carbono fixo % 70~75 86~89 
Matérias voláteis % 20~25 1~3 
Cinzas % 2~3 10~12 
Enxofre % 0,03~0,10 0,45~0,70 
SiO2 % 5~10 50~55 
CaO % 37~56 4~5 
MgO % 5~7 4~5 
Al2O3 % 2~12 25~30 
Fe2O3 % 6~13 5~7 
P2O5 % 8~12 0,40~0,80 
K2O % 15~25 2~4 
Na2O % 2~3 1~3 
 Resistência à compressão kg/cm
2
 10~80 130~160 
Física Faixa Granulométrica mm 9~101,6 25~75 
 Densidade t/m
3
 0,25 0,55 
Fonte: (http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/solidos/coque/altern.htm) 
 
Tal decisão provocou uma substancial mudança na rotina da Usina, haja vista que toda 
a História da Empresa fora escrita em cima do carvão vegetal, redutor utilizado em seus 
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altos-fornos desde o início de operação da Usina, em 1937. A primeira tentativa de se utilizar 
100% de coque na CSBM aconteceu em 1990 sendo que os resultados então obtidos foram 
bastante ruins. Foram necessárias adaptações nos equipamentos e procedimentos antes de 
uma segunda tentativa. Feitas as adaptações, partiu-se para a segunda tentativa de 
utilização de 100% de coque. 
Utilizou-se, desta vez, o plano de substituição gradativa do carvão vegetal pelo coque. 
Uma comparação entre os melhores resultados já obtidos com 100% de carvão vegetal e 
100% de coque é feita na Tabela 3. Tais resultados comprovam o que era esperado pela 
teoria, conforme discutido no item 3. A utilização de 100% de coque levou a uma redução de 
3,0% no consumo específico de carbono e a um acréscimo de 15,5% na produtividade. 
 
Tabela 3 – Resultados Obtidos com o Coque 
Parâmetro C. Vegetal Coque D (%) 
Consumo específico de redutor (kg/t) 
664 522 - 
Consumo específico de carbono (kg/t) 
473 469 -3 
Produtividade (t/d.m
3
) 
1,68 1,94 15,5 
Fonte: (http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/solidos/coque/altern.htm) 
 
Desde então o alto-forno vem sendo operado com 100% de coque, apresentando 
resultados que, levando-se em conta as dificuldades encontradas, mostram ser viável, do 
ponto de vista técnico, a utilização de coque em altos-fornos tradicionalmente operados 
com carvão vegetal. 
No Brasil há uma produção anual de 8,85 milhões de toneladas de Coque Verde de Petróleo 
sendo que 0,5 milhão de tonelada é reservada para produção de energia elétrica através de 
termelétricas, ou seja, 5,56%. 
 
6.5 Custo benefício 
A cada 1 kg de coque de petróleo pode-se gerar 7,917kWh (Jornal Oficial da União 
Européia, 2005). Cada tonelada de coque custa para a indústria siderúrgica por volta de 
R$171,00 (US$80,00) e pode gerar 7,917MWh de energia num custo de R$2.390,93 
(R$0,30200 por kWh)(ANEEL, 2013). O sistema de cogeração é altamente viável, pois a 
queima do coque já faz parte do processo. 
O Poder calorífico do coque está entre 8.200 e 8.600 kcal/kg e o do carvão mineral é 
de 6.000 a 8.000 kcal/kg (ITA, 2013). 
A cada 1 kg de carvão mineral pode-se gerar 1kWh (Ministério de Minas e Energia, 
2013). Cada tonelada de carvão mineral custa por volta de R$112,00 (US$52,00)(ANEEL, 
2013) e pode gerar 1MWh de energia num custo de R$302. 
Comparativamente para gerar 7,917MWh necessitaria de 7,917 toneladas de carvão mineral 
o que custaria R$886,70. 
 
7. CONCLUSÃO 
Comparando-se o coque e o carvão mineral a relação é de 1 para 7,917, ou seja, 1 kg 
de coque produz a mesma energia que 7,917 kg de carvão mineral. O Carvão é mais barato e 
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o coque é um resíduo que em vez de ser descartado pode ser utilizado para gerar energia. A 
eficiência térmica global de uma usina de potência pode ser aumentada com a utilização de 
um ciclo combinado. O ciclo combinado mais comum é o combinado gás-vapor, no qual uma 
turbina a gás opera na região de altas temperaturas e uma a vapor opera na região de baixas 
temperaturas. Os ciclos combinados têm maior eficiência térmica do que os ciclos de turbina 
a vapor ou a gás operando isoladamente. Neste processo as emissões de compostos de 
enxofre e nitrogênio estão muito abaixo do estipulado pela norma europeia para usinas de 
energia. Com a utilização do coque elimina-se a necessidade da utilização do carvão mineral, 
assim, para o meio ambiente o coque é uma ótima fonte alternativa de geração de 
eletricidade evitando-se o consumo de grandes quantidades de carvão mineral. 
 
8. REFERÊNCIAS 
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Maio de 2013. 
 
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pp. 71-77. 
 
Fahim, Mohamed; Alsahhaf, Taher A.; Elkilani, Amal “Introdução do Refino de petróleo” 
Elsevier Editora Ltda, Rio de Janeiro, 2012 pp. 141-143, 321-32. 
 
Çengel, Yunus A.; A. Boles, Michael “Termodinâmica” AMGH Editora Ltda, Porto Alegre, 
2006 pp. 469-475. 
 
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etrobras/VantagensCompetitivas/VantagensCompetitivas.asp. Acesso em março 2006. 
 
de Camargo, Marcelo; Kobayoshi, Marcelo; Fabius Henriques de Carvalho, Marcius 
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http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/solidos/coque/altern.htmAcessado em 
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