Aula 4 - carvão

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Carvão mineral (coal)
Carvão mineral (coal): carvão vegetal (charcoal)Carvão mineral (coal): carvão vegetal (charcoal)
combustível fóssil ≠ biomassa
não renovável renovávelnão renovável renovável
História do carvão mineral
- O homem das cavernas já usava o carvão para o aquecimento domésticoO homem das cavernas já usava o carvão para o aquecimento doméstico
- Usado pelos Romanos nos séculos II e III DC
- Os Chineses já exploravam o carvão no século XVII
História do carvão mineral
- O uso massivo do carvão, no entanto, se iniciou na Inglaterra, no século XVIII,
com o advento da revolução industrial – motor a vapor (ou máquina a vapor) –com o advento da revolução industrial motor a vapor (ou máquina a vapor) 
Inventado por James Watt:
O carvão é queimado para ferver água (caldeiras), e o vapor gerado é então usado
li t b lhpara realizar trabalho 
- Transporte: locomotiva a vapor (substituiu a tração animal) e navio a vapor p p ( ç ) p
- Outras máquinas industriais: moinhos, máquinas de costura, etc...
- Indústria siderúrgica: Em 1875, o carvão mineral foi introduzido, na forma de coque,
como combustível para fornalhas na produção de aço, 
em substituição ao carvão vegetal.
locomotiva a vapor (maria-fumaça)
Máquina a vapor original de James Watt
História do carvão mineral
- Hoje em dia, o carvão não é mais usado para o transporte
- Os trens modernos usam óleo diesel ou eletricidade
- Um marco importante foi a substituição do combustível de toda a frota britânica do
carvão para derivados do petróleo (óleo diesel) - 1930
História do carvão mineral
- Hoje em dia, o uso mais importante do carvão é na geração de eletricidade:
usinas termoelétricasusinas termoelétricas
- O carvão foi usado pela primeira vez na produção de eletricidade nos anos 1880 
- A maioria dos países desenvolvidos tem no carvão a principal fonte de energia
elétrica
usina termoelétrica
Até a 1ª guerra mundial (1910) Após a 1ª guerra mundial
carvão petróleo
transporte
carvão
(trens e navios
a vapor)
petróleo
(gasolina,
diesel)a vapor) diesel) 
iluminação carvão
( l t i id d )
petróleo
( ) (eletricidade) (querosene) 
1910
História do carvão mineral
Outros usos do carvão:
- Indústria siderúrgica: Em 1875, o carvão mineral foi introduzido, na forma de coque,
como combustível e agente redutor para fornalhas na produção do aço, 
em substituição ao carvão vegetal.
O coque é um tipo de combustível derivado do 
ã b t i C tili dcarvão betuminoso. Começou a ser utilizado na 
Inglaterra do século XVII. O coque obtém-se do 
aquecimento da hulha (ou carvão betuminoso), 
sem combustão, num recipiente fechado. Pode , p
ser utilizado na produção de ferro gusa (alto 
forno), sendo adicionado junto com a carga 
metalica.
O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, coque e cal. A 
fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, 
redução, refino e laminação.ç , ç
1. Preparação da carga ou sinterização: grande parte do minério de ferro (finos) é 
aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O produto resultante é chamado 
de sinter. 
2 Redução: essas matérias primas agora preparadas são carregadas no alto2. Redução: essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto 
forno. O ar pré-aquecido a uma temperatura de 1000°C é soprado pela parte de 
baixo do alto forno. O coque, em contato com o oxigênio, produz calor que 
funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro, g
transformando-o em um metal líquido: o ferro-gusa. O gusa é uma liga de ferro 
e carbono com um teor de carbono elevado.
Como o carvão mineral foi formado
O carvão foi formado a partir de arvores e outras plantas que morreram a 300 400O carvão foi formado a partir de arvores e outras plantas que morreram a 300-400
milhões de anos atrás (períodos carbonífero e permiano). Estes sedimentos 
foram soterrados por terra e rochas em ambientes anaeróbicos, impedindo a 
oxidação. Esta massa vegetal em decomposição é conhecida como turfa. Esta 
turfa foi submetida a altas pressões e temperaturas, durante milhões de anos,
gerando o carvão mineral. É necessário uma camada de dez metros de espessura 
da turfa para formar uma camada de um metro de espessura de carvão 
Carvão: formado a partir de madeira
Petróleo e gás: formados a partir de microplâncton – fundo do mar.
Variedades de carvão
menos maduro → mais maduro
t f li it ã b b t i ã b t i t itturfa → lignito → carvão sub-betuminoso → carvão betuminoso → antracito
Hulha: carvão sub-betuminoso + carvão betuminosou a ca ão sub be u oso ca ão be u oso
Lignito: É um tipo de carvão relativamente jovem, que não foi
submetido a pressões e temperaturas extremas. Pode-se até
visualizar a textura da madeira original em algumas amostras devisualizar a textura da madeira original em algumas amostras de
linhito. Possui baixo teor de carbono (25-35%) e altos teores de
água, portanto, baixo poder calorífico. A maior parte das reservas
mundiais de carvão são constituídas por lignito.
Carvão sub-betuminoso: É um tipo de carvão mais maduro do
que o linhito (cerca de 100 milhões de anos) e possui maior teor de
( %) fcarbono (35-45%), e portanto maior poder calorífico, apesar de
ainda conter muita água. Apresenta baixo teor de enxofre, em
comparação com os outros tipos de carvão.
Carvão betuminoso: Formado sob alta pressões e temperaturas,
é mais maduro do que o sub-betuminoso (100-300 milhões de
anos). Contém de 45-80% de carbono. É o tipo mais abundante) p
nos EUA (cerca de 50% da produção). Usado principalmente para
geração de eletricidade.
Antracito: É a variedade mais nobre (86-97% carbono) noAntracito: É a variedade mais nobre (86-97% carbono), no
entanto é mais rara do que as outras. Usado no aquecimento
doméstico, por que queima sem fazer fuligem.
Composição química: moléculas orgânicas aromáticas polinucleares 
contendo C, H, N, O, S
Exemplo de molécula típica presente no carvão
Razão H/C
Mineração do carvão
-Mineração de superfície: até 60 m de profundidade
- Mineração de sub-solo (mineração profunda): até 350 m de profundidade
Mineração de superfície
- Mais barata do que a mineração profunda
-Usa escavadeiras gigantes para remover as camadas de solo e rochas que 
b i d ãrecobrem os veios de carvão
- Ao final da exploração, a terra retirada é recolocada e a área da mineração é 
recuperada (reflorestamento, áreas de lazer, agricultura, etc...) p ( , , g , )
Mineração de superfície: degradação ambiental
Mineração de superfície
Mineração de superfície
Mineração profunda
-Os mineiros descem ao sub-solo através de elevadores
- Lá em baixo, operam escavadeiras para extrair o carvão
O carvão é levado à superfície em carrinhos ou em cintas rolantes- O carvão é levado à superfície em carrinhos ou em cintas rolantes
- É a profissão mais perigosa que existe!! 
Mineração profunda
Transporte do carvão
-O carvão é transportado principalmente por trens
- Pode ainda ser transportado por barcas, navios, caminhões e até mesmo 
por dutos (na forma de “slurry” – pó de carvão suspenso em água)por dutos (na forma de slurry – pó de carvão suspenso em água)
- Os custos do transporte são maiores do que os da mineração, por isto muitas
usinas termoelétricas são construídas ao lado das minas
Reservas de carvão e 
segurança energética
Demanda global por energia deve crescer 1,5 % ao ano até 2030
China e India serão responsáveis por 50 % deste crescimento
Matriz Energética Mundial 
(2005)
Matriz Energética Brasileira
(2005)
Fonte: Energy Information Administration- DOEFonte: Energy Information Administration DOE
Reservas de carvão
Reservas mundiais (provadas) = 860 bilhõesde toneladas
60% das reservas estão em 3 países: EUA, Rússia e China
Consumo mundial é de cerca de 6 bilhões de ton/ano
O mundo possui um vasto estoque de carvão (o carvão é o mais abundante 
dos combustíveis fósseis)
O seu uso, principalmente para a geração de energia elétrica, 
é de importância vital para o desenvolvimento econômico de vários países e
para aliviar a pobreza ao redor do mundopa a a a a pob e a ao edo do u do
Nos países desenvolvidos, como os EUA e Alemanha, cerca de 50% da 
eletricidade vem do carvão.
Na China, o uso do carvão levou a eletricidade a quase 500 milhões de pessoas
nos últimos 15 anos (81% da energia elétrica na China provém do carvão).
Na Índia, 68% da energia elétrica provém do carvão. A indústria do carvão gera
emprego para quase 500.000 pessoas.
Reservas de carvão
Reino Unido: o país que iniciou a revolução industrial e 
introduziu o uso do carvão no mundo está hoje com as 
reservas depletadas e depende de importaçõesreservas depletadas e depende de importações
M i d tMaiores produtores: Maiores consumidores:
1) China
)2) EUA
3) India
4) Japão
5) Rússia
Em geral, os países que mais usam o carvão são também os que mais 
produzem (exceção: Japão, Coréia do Sul) - diferente do petróleo
Segurança energéticag ç g
- O carvão é mais barato do que o petróleo e o gás natural
Segurança energéticaSegurança energética
Preços do carvão são menos suscetíveis a variações do que os do petróleo e gás 
natural
Isto porque as reservas são conhecidas e quantificadas com um alto grau de 
certeza, uma vez que os veios de carvão estão bem mais rasos do que os de 
petróleo e gás (as reservas de carvão americanas são praticamente 100%petróleo e gás (as reservas de carvão americanas são praticamente 100% 
conhecidas).
O carvão é encontrado em países onde não há instabilidade geopolítica, ao
contrário do petróleo e gás.
Os grandes produtores são também os grandes consumidores, evitando custos 
com transporte e instabilidades geopolíticas.com transporte e instabilidades geopolíticas.
O comércio internacional é responsável por apenas 17% do carvão
consumido no mundo uma vez que a maior parte é consumida noconsumido no mundo, uma vez que a maior parte é consumida no 
próprio país em que foi produzido.
A maioria dos países possui reservas próprias, mas alguns países 
necessitam importar, como Japão, Coréia do Sul, Alemanha e Reino Unido.
Nestes casos, o navio é o principal meio de transporte
AAustrália é o maior exportador de carvão no mundoA Austrália é o maior exportador de carvão no mundo
(260 milhões de toneladas/ano) 
Reservas brasileiras
Produção americana
Contaminantes (problemas ambientais)
- O carvão é um dos combustíveis mais poluentes, pois contém enxofre (até 2%) 
e nitrogênio, que quando queimados resultam em óxidos de enxofre (chuva ácida) 
NOe NOx. 
-O carvão também contém mercúrio (Hg) e outros metais pesados.
- Efeito estufa (green house gases):
Alto índice de emissão de CO- Alto índice de emissão de CO2
- Liberação de metano presente nas minas de carvão para a atmosfera
Clean coal technologies
Clean coal technologies
- Uma das melhores maneiras de reduzir as emissões é otimizar a performance 
das usinas termoelétricas: condições críticas e supercríticas de pressão e 
temperatura. Estas usinas podem aumentar a eficiência de geração de energia 
lét i 40 50%elétrica para 40-50%
Clean coal technologies
Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC): 
O ã ã é i d d áO carvão não é queimado para gerar vapor de água, como em uma 
usina convencional. Ao invés disto, é feita a gaseificação do carvão para 
formar o syngas (gás de síntese, uma mistura de hidrogênio e monóxido 
de carbono), o qual é usado diretamente para mover turbinas de gás.de ca bo o), o qua é usado d e a e e pa a o e u b as de gás
O excesso de calor gerado é usado então para ferver água para uma 
segunda turbina (a vapor)