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MINERALOGIA

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CARVÃO MINERAL
Introdução
Carvão mineral é uma rocha combustível sedimentar formado principalmente a partir do soterramento e decomposição de restos materiais de origem vegetal. Gradualmente, estes materiais ao sofrerem soterramento e compactação em bacias de deposição, sofrem perdas de oxigênio, hidrogênio e nitrogênio pela ação de micro-organismos, pressão, temperatura e consequentemente enriquecimento no teor de carbono. Este processo é conhecido como carbonificação, quanto maior o teor de carbono, maior também é o seu poder energético e são quatro os principais estágios deste processo: a turfa, o linhito, a hulha e o antracito (em ordem crescente do teor de carbono. Esquema 1)
 A Turfa apresenta aproximadamente 60% de carbono em sua composição e alto grau de umidade tendo pouca utilidade para produção de energia. O Linhito com aproximadamente 70% de carbono é um carvão fóssil relativamente recente, representa o estágio seguinte da turfa na transformação da matéria vegetal em carvão. Tem cor castanha e é mais denso que a turfa. A hulha é um dos estágios da formação do carvão mineral que apresenta um dos maiores índices de carbono aproximadamente 80-85% em sua composição. A hulha é um composto muito utilizado pela indústria, porque ao se fazer a sua destilação seca, ela dá origem a três compostos analisados a seguir:
1. Fração gasosa: (gás de iluminação): é chamada assim porque era utilizada para iluminar ruas. Também é usado como combustível doméstico e na indústria. Composta de 49% de Hidrogênio, 34% de metano, 8% de dióxido de carbono e outros gases em menor proporção.
2. Fração Líquida: formada pelas águas amoniacais e o alcatrão de hulha
2.1- Águas amoniacais: constituídas de substâncias nitrogenadas; principalmente aminas - compostos derivados da amônia (NH3). Usado para produzir ácido nítrico e principalmente na produção de fertilizantes agrícolas.
2.2 – Alcatrão de hulha: é a principal fonte natural de obtenção dos compostos aromáticos e ao passar por uma destilação fracionada dá origem a cinco frações, que permitem fornecer matérias-primas para inúmeros produtos químicos, como medicamentos, plásticos, tintas, produtos de limpeza, pavimentação de ruas (piche), etc. As cinco frações são:
• Óleo leve (2%) - benzeno tolueno, xileno;
• Óleo médio (12%) - fenol, cresóis, etc.;
• Óleo pesado (10%) - Naftaleno e seus derivados;
• Óleo de antraceno (25%) - antraceno, fenantreno, carbazol, criseno, etc.
• Piche (51%) - Hidrocarbonetos de massa molar elevada.
3. Fração sólida: Denominado carvão coque, é bastante utilizado em siderúrgicas para a obtenção de aço. Também é utilizado na produção de ferro e na de gasolina sintética.
 O antracito, última estágio da formação do carvão, caracteriza-se pelo alto teor de carbono fixo, baixo teor de compostos voláteis, cor negra brilhante, rigidez e dificuldade com que se queima, dada sua pobreza de elementos inflamáveis. É usado como redutor em metalurgia, na fabricação de eletrodos e de grafita artificial. Uma de suas principais vantagens consiste em proporcionar chama pura, sem nenhuma fuligem.
Esquema 1. Estágios de carbonização e percentagem de carbono
A partir do século XVIII, o carvão mineral passou a ser utilizado como fonte energética, substituindo, gradativamente, a lenha, que era a principal fonte de energia utilizada pelo homem. A intensificação do seu uso proporcionou subsídios para o desenvolvimento industrial. O carvão mineral em qualquer fase compõe-se de uma parte orgânica, formadas por macromoléculas de carbono e hidrogênio e pequenas proporções de oxigênio, enxofre e nitrogênio. Essa é a parte útil, por ser fortemente combustível. A outra parte mineral contém os silicatos que constituem a cinza. As proporções desses elementos variam de acordo com o grau de evolução do processo de carbonização, isto é, quanto mais avançado mais alto é o teor de carbono na parte orgânica e menor será o teor de oxigênio. Em virtude dessa estrutura complexa e variável, o carvão mineral apresenta diversos tipos. 
Classes de Carvão mineral
São quatro as principais classes de carvão mineral: carvão betuminoso e sub-betuminoso (ambos designados como hulha), linhito e antracito. Seu emprego para fins industriais obedece a uma classificação que toma como base a produção de matéria volátil e a natureza do resíduo. Assim, há carvões que se destinam à produção de gás, de vapor ou de coque, que é um carvão amorfo, resultante da calcinação do carvão mineral, e de largo emprego na siderurgia. Para combustão em caldeira, são preferíveis o carvão com pequenos teores de cinza e quantidades moderadas de matéria volátil, condições que proporcionam bom rendimento térmico. É preferível que apresente também o mínimo de enxofre e poder calorífico elevado, já que o calor por ele gerado vai ser utilizado diretamente ou transformado em outras formas de energia. Para a produção do coque metalúrgico com propriedades mecânicas para uso em altos fornos, o carvão mineral precisa apresentar propriedades aglomerantes ainda maiores e teores mais baixos de enxofre e cinza. Na destilação do carvão para produção de gás combustível ou coque metalúrgico, obtêm-se também águas amoniacais, das quais se extraem a amônia e o alcatrão. Muito embora os derivados de petróleo - como a gasolina, o querosene, o óleo combustível e o diesel - e a energia termonuclear tenham deslocado o carvão mineral como fonte de energia, sobretudo para as máquinas móveis, ainda é significativa sua participação no total do consumo energético dos países desenvolvidos - cerca de vinte por cento no final do século XX. A entrada em operação de centenas de usinas hidrelétricas e termonucleares não conseguiu diminuir drasticamente, como se esperava, a participação do carvão, não somente porque essas fontes de energia representam grandes investimentos iniciais e provocam sérios impactos nos meio ambiente, mas também porque a disponibilidade de grandes jazidas de carvão mineral é ainda grande.
Linhito: o aumento das pressões e do calor dos estratos sobrepostos faz com que a turfa enterrada seque e se endureça no lignite. O lignite é um carvão acastanhado com um alto teor de umidade e cinzas e um menor valor de aquecimento. No entanto, é uma forma importante de energia para gerar eletricidade. Principais operações de mineração de lignite estão localizadas no Texas, Dakota do Norte, Louisiana e Montana.
Sub-bituminoso: Sob ainda mais pressão, um pouco de lignite é transformado em próximo nível de carvão subbituminoso. Este é um carvão preto maçante com um valor de aquecimento mais elevado do que o linhito que é usado principalmente para gerar eletricidade e para o aquecimento de espaços. A maioria das reservas subbituminosas estão localizadas em Montana, Wyoming, Colorado, New Mexico, Washington e Alaska.
Bituminoso: pressão ainda maior resulta na criação de carvão bituminoso ou "macio". Este é o tipo mais comumente usado para geração de energia elétrica nos EUA. Ele possui um valor de aquecimento maior do que o linhito ou subbituminoso, mas menor que o de antracite. O carvão betuminoso é minado principalmente em Appalachia e no Centro-Oeste. Também é usado para fazer coque para produção de aço.
Antracite: às vezes chamado de "carvão", as formas de antracite do carvão betuminoso quando grandes pressões se desenvolveram em estratos de rocha dobrados durante a criação de cadeias de montanhas. Isso ocorre apenas em áreas geográficas limitadas - principalmente a região dos Apalaches na Pensilvânia. O Anthracite tem o maior conteúdo energético de todas as carvões e é usado para aquecimento de espaços e geração de eletricidade
Carboquímica:
O sistema ASA-ASTM estabeleceu quatro classes ou gramas de carvão - antracite, betuminoso, subbituminoso e lignite - com conteúdo de carbono fixo e valor de aquecimento medido em unidades térmicas britânicas por libra (Btu / lb). O antracite, um carvão duro e preto que queima com pouca chama e fumaça, tem o maior teor de carbono fixo,86-98 por cento e um valor de aquecimento de 13.500-15.600 Btu / lb (equivalente a 14,2-16,5 milhões de joules / lb [1 Btu = 1,054.6 joules, a energia emitida por uma partida de madeira em chamas]). Fornece combustível para aquecimento comercial e doméstico, para geração elétrica e para o ferro, aço e outras indústrias. O carvão betuminoso (baixo, médio e alto volátil), um carvão macio que produz fumaça e cinza quando queimado, tem um teor de carbono fixo de 46-86 por cento e um valor de aquecimento de 11.000-15.000 Btu / lb (11.6-15.8 milhões de joules /Libra). É o carvão economicamente recuperável mais abundante a nível mundial e o principal combustível queimado em turbinas a vapor de geração de energia elétrica. Algumas carvões betuminosas, conhecidas como carvões metalúrgicos ou de coque, possuem propriedades que as tornam adequadas para conversão em coca-cola utilizada na fabricação de aço. O carvão subbitumoso tem um teor de carbono fixo de 46-60 por cento e um valor de aquecimento de 8,300-13,000 Btu / lb (8,8-13,7 milhões de joules / lb). A quarta classe, o lignite, um carvão macio e acastanhado, também tem um teor de carbono fixo de 46 a 60%, mas o menor valor de aquecimento, 5,500-8,300 Btu / lb (5,8-8,8 milhões de joules / lb). A geração elétrica é o principal uso de ambas as classes. Além de produzir calor e gerar eletricidade, o carvão é uma importante fonte de matérias-primas para fabricação. Sua destilação destrutiva (carbonização) produz gases de hidrocarbonetos e alcatrão de hulha, dos quais os químicos sintetizaram drogas, corantes, plásticos, solventes e inúmeros outros produtos químicos orgânicos. A hidrogenação ou a liquefação de carvão de alta pressão ea liquefação indireta do carvão usando sínteses de Fischer-Tropsch também são fontes potenciais de combustíveis e lubrificantes líquidos queimam a limpeza.
Conclusão:
O carvão continua a ser o combustível fóssil mais abundante do mundo e, juntamente com petróleo e gás natural, continuará a fornecer a maior parte da energia do mundo. Mas todos os três são recursos finitos, e a sociedade deve consumi-los com sabedoria, sem desperdício, para ampliar suas vidas e reduzir suas emissões nocivas. A conservação de combustíveis fósseis e o desenvolvimento de energias alternativas, como a energia solar e eólica, são caminhos para o futuro da energia de uma sociedade global
Aplicações:
Uma vez que o carvão foi minado, geralmente é processado para separar os componentes inorgânicos, formadores de cinzas e produzir tamanhos apropriados partículas. As várias operações envolvidas neste processamento são coletivamente conhecidas como carvão preparação ou beneficiamento de carvão. O grau de preparação depende do uso pretendido de o carvão. Para aquecimento residencial ou comercial - um mercado muito pequeno para o carvão hoje em dia - são desejados grumos de cerca de 1 polegada, juntamente com uma quantidade tão pequena de inorgânicos componentes possíveis (deixar pequenas cinzas após a queima). Carvão para ser usado para a produção de coca para a indústria siderúrgica tem os requisitos mais rigorosos. Isto deve ter pouca cinza (tipicamente inferior a 5%), baixo teor de enxofre e deve ser de qualidade bituminosa. Como mencionado acima, este é um mercado pequeno, mas muito importante, para o carvão. Carvão para uso em as usinas de energia elétrica - o mercado mais grande para o carvão - tem o menos rigoroso requisitos. Quantidades substanciais de cinzas podem ser toleradas. O carvão não precisa ser pulverizado antes do transporte, mas para disparar em modernas usinas de energia, será reduzido em tamanho para cerca de 0,1 mm antes de serem queimados.
Combustão:
A combustão de carvão para aquecimento doméstico foi praticada desde antiguidade. Hoje, o uso de carvão para o calor doméstico é um mercado muito pequeno para o carvão nos Estados Unidos (ver Figura 7-5). Menos de 1% do carvão vendido é usado para aquecimento doméstico e cozinhar, e apenas uma porcentagem muito pequena de lares usa o carvão como fonte primária de energia. Existem várias razões para o uso residencial limitado do carvão. Eletricidade, gás natural e sistemas de aquecimento de óleo combustível, com termostatos conectados a mecanismos de controle automático, são muito mais convenientes para os proprietários usar do que o carvão. O carvão é um combustível sujo. Dependendo do tipo de carvão utilizado, poeira de carvão e poeira de cinzas pode passar por toda a casa, exigindo limpeza doméstica freqüente e minuciosa. Além disso, as cinzas devem ser coletadas e levado ao ar livre para coleta de lixo e descarte adequado. Pouco depois da Segunda Guerra Mundial, os gasodutos interestaduais de gás natural e petróleo expandiram-se rapidamente, tornando estes dois combustíveis mais disponível em todo os Estados Unidos. Ao mesmo tempo, vários muito longos e amargos As greves trabalhistas na indústria do carvão causaram interrupções de curto prazo no fornecimento de carvão disponível. Alguns consumidores perceberam que o petróleo eo gás natural eram mais "seguros" (isto é, menos suscetíveis a perturbações por ação trabalhista) do que o carvão. Esta confluência de duas tendências - a maior disponibilidade de petróleo e gás, e a interrupção do fornecimento de carvão - levou a uma mudança para maior uso de petróleo e gás em aplicações domésticas. Apesar do relativamente pequeno uso doméstico atual de carvão, devemos discutir brevemente o combustão em pequena escala de carvão por dois motivos: ilustrar alguns princípios gerais de combustão, e porque os fogões ou aquecedores a carvão estão fazendo um retorno modesto como fontes auxiliares de calor doméstico. O carvão tem sido usado como fonte de calor doméstico na China, pelo menos desde 500 aC. Os romanos usaram carvão durante a ocupação da Gália e Grã-Bretanha. Em 1295, Marco Polo retornou a sua Itália natal de uma longa expedição para a China e informou sobre o uso de Carvão como fonte de energia. Por cerca dos últimos 3000 anos, a maneira padrão de queima de carvão em pequena escala, está usando várias versões do combustor de corrente ascendente (veja a Figura 7-7). o A parte mais quente do fogo está na grelha. Aqui a combustão completa dos elementos no carvão ocorre. Embora os componentes do carvão estejam ligados quimicamente em uma estrutura complexa, para fins ilustrativos, podemos escrever as reações como se fossem simplesmente elementos individuais. Assim, temos as seguintes equações químicas simples:
 
Mais alto na cama de carvão, haverá menos oxigênio disponível para a combustão, porque alguns do oxigênio no ar varrendo a cama já foi esgotado. Em um Atmosfera com deficiência de oxigênio, ocorre combustão incompleta:
Esta reação não é desejável por duas razões. Primeiro, menos calor é liberado quando o carbono é
queimado para formar monóxido de carbono do que quando o carbono é convertido em dióxido de carbono. Muito de
Mais importante, no entanto, é o fato de que o monóxido de carbono é um veneno mortal. Forma
Ligações químicas muito fortes com os átomos de ferro na hemoglobina no sangue. Normalmente,
estes átomos de ferro formam ligações a moléculas de oxigênio e transportam oxigênio para todas as células de
o corpo. À medida que o monóxido de carbono se liga ao ferro, sua presença impede o ferro de
"Transportar" uma molécula de oxigênio através da corrente sanguínea. Se um grande número de hemoglobina
as moléculas estão "saturadas" com monóxido de carbono, a incapacidade de transportar oxigênio
Todo o corpo pode levar à morte. Às vezes, especialmente à noite, pode parecer
conveniente agitar um monte de carvão no fogo para que o fogo queimará durante a noite
sem que alguém tenha que se levantar para reabastecer o carvão. No entanto, existe o potencial
Com muito carvão, pode haver uma produção inadvertida de monóxido de carbono, levando a
envenenamento e possivelmente até a morte (ver Capítulo 11).
Um problema adicional associado à combustão de carvão em pequenas unidades é o
produção de fumaçae fuligem. Na ausência total de oxigênio, carbono e carbono
os compostos não queimam. Se o fogo está morrendo de fome de oxigênio, partículas de carbono do carvão
não pode queimar, mas sim ser liberado do carvão como partículas de fuligem. Além disso, a fumaça é
formado quando as camadas mais altas de carvão na grelha ficam suficientemente quentes para evoluir voláteis
(como no teste de matéria volátil na análise próxima do carvão). Esses voláteis podem
sofrer combustão parcial ou carbonização para formar alcatrões e fuligem. As primeiras queixas
sobre a poluição atmosférica da fumaça do carvão foram feitas em Londres em 1275! (E alguns
as pessoas pensam que a poluição é um problema novo ...) Existe um termo de gíria britânico, "o grande
fumo ", que originalmente era uma referência a Londres (tanto quanto os americanos chamam Nova York
"A grande maçã"), mas que às vezes é usado para se referir a qualquer cidade grande. Ainda hoje, cidades
Como Edinburgh's Edinburgh tem esses depósitos pretos em muitos dos seus edifícios. No
Primeiros anos deste século, Pittsburgh foi exposto a 1000 toneladas de fuligem sendo depositadas
por milha quadrada cada ano. Essa fumaça de carvão reduziu a quantidade de luz solar atingindo a
moído em 40%. Além dos problemas estéticos de deposição de fuligem em roupas e
Coque:
O segundo maior uso de carvão é o fabrico de
Coca-cola para a indústria metalúrgica. Ferro e suas ligas (particularmente os vários tipos de
aço) são talvez os materiais de construção metálicos mais versáteis conhecidos pela humanidade.
Infelizmente, o ferro ocorre na natureza não como ferro metálico, mas sim em minérios contendo ferro
compostos tais como óxidos ou carbonatos. A produção de ferro metálico requer uma 
reação química para remover o oxigênio dos compostos de ferro e liberar o ferro como o metal. A conversão de um óxido metálico em metal é um exemplo de um tipo geral de reação química conhecida como redução (em oposição ao processo inverso chamado oxidação). As substâncias que adicionamos à reação para causar a redução a ocorrer são denominadas agentes redutores. Entre os tipos mais poderosos de agentes redutores, e entre os menos caras, são várias formas de carbono ou substâncias ricas em carbono. A partir do século XVI, a população da Europa começou a se expandir rapidamente, e à medida que a população aumentou, o mercado também teve novos itens, como bens domésticos e implementos agrícolas. Ao mesmo tempo, o progresso industrial também estava sendo feito. Ambos esses fatores resultaram em uma crescente demanda de ferro, para a fabricação de itens de consumo, Ferramentas e máquinas agrícolas. Em 1600, o agente de redução preferido para libertar ferro metálico de seus minérios era carvão. O carvão vegetal é feito por aquecimento de madeira na ausência de ar, expulsando a umidade e uma variedade de outros produtos e deixando para trás o sólido poroso rico em carbono. Enquanto o A demanda por ferro aumentou, assim como a demanda pelo agente redutor necessário, carvão. O consumo de madeira grandemente aumentado para produzir o carvão corte extensivo das florestas na Inglaterra que o Parlamento inglês promulgou legislação restringindo o estabelecimento de novas fundições de ferro. Esta situação proporciona uma criança de 300 anos de idade exemplo de como as limitações de suprimentos de energia (neste caso, madeira para produzir carvão) levaram limitações ao desenvolvimento industrial e, por extensão, aos impactos nas pessoas padrões de vida (limitando a disponibilidade de artigos feitos de ferro). Já em 1609, foram feitas tentativas para substituir o carvão por carvão vegetal na fabricação de ferro. Vimos que, à medida que o carvão é aquecido, alguns compostos voláteis são liberados. Quando usando carvões contendo quantidades consideráveis ​​de matéria volátil, os voláteis escapados poderiam reagir ou dissolver o metal de ferro à medida que está sendo formado. As impurezas no ferro eram muito indesejáveis, porque enfraqueceram o metal e dificultaram a forma objetos úteis do ferro. Um problema semelhante havia sido encontrado na fabricação de cerveja indústria, onde o carvão havia sido usado para secar o malte usado no processo de fabricação de cerveja. Substituir carvão por carvão levou a gostos horríveis na cerveja ou cerveja, porque os voláteis Escapar do carvão foi absorvido pelo malte e arruinou seu sabor. Os cervejeiros descobriu que se o carvão é aquecido em uma atmosfera inerte para expulsar os voláteis, o O resíduo restante (que é em grande parte o carbono fixo, chamado char ou coca-cola) ainda é muito útil como combustível. 
Quando muitos tipos de carvão betuminoso são aquecidos em uma atmosfera inerte, eles suavizam e inchar para formar uma massa plástica. Os voláteis que escapam passam por este material plástico, que depois se resolidifie a um sólido rico em carbono após um aquecimento adicional. Carvões que passam um estágio de plástico no aquecimento é chamado de aglomeração de carvão. Alguns carbonos aglutinantes se resolidem no aquecimento para formar uma massa porosa rica, muito forte e rica em carbono, adequada para uso como agente redutor em a indústria metalúrgica. Este material é chamado de coca, e a classe especial de aglomerados que produzem uma coque satisfatória são conhecidos como carvões de coque. (É lamentável que as palavras O aglomerado e o coque são tão parecidos, porque não são sinônimos. Todas as carvões de coque são necessariamente carvões, mas nem todas as cartilagens são carvões de coqueria.

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