Carvão

O carvão, um sólido combustível natural, é uma das fontes de energia mais importantes e abundantes do mundo. Desde sua introdução há 4.000 anos como combustível para aquecimento e cozinha, até seu uso nos séculos XIX e XX na geração de eletricidade e como matéria-prima química, o carvão, juntamente com o petróleo e o gás natural, tem permanecido uma importante fonte de energia. Só os Estados Unidos têm 1,7 trilhões de toneladas de recursos de carvão identificados (depósitos naturais) e reservas recuperáveis suficientes (carvão que pode ser desenvolvido para uso) para atender às suas necessidades energéticas até o ano 2225. Suas reservas demonstradas incluem 274 bilhões de toneladas curtas que a tecnologia existente pode recuperar, representando 25% dos 1,08 trilhões de toneladas curtas de carvão recuperável do mundo, e 508 bilhões de toneladas curtas de carvão que a tecnologia existente pode potencialmente extrair economicamente. As suas reservas recuperáveis contêm mais do dobro da energia das reservas petrolíferas comprovadas do Médio Oriente. Cerca de 100 países possuem reservas recuperáveis; 12 países – entre eles Canadá, República Popular da China, Rússia, Polônia, Austrália, Grã-Bretanha, África do Sul, Alemanha, Índia, Brasil e Colômbia – possuem as maiores reservas.

Origem, Composição e Estrutura do Carvão

Geólogos acreditam que os depósitos subterrâneos de carvão se formaram há cerca de 250-300 milhões de anos, quando grande parte da Terra estava coberta de floresta espessa e crescimento de plantas. À medida que as plantas e as árvores morriam, afundavam sob a superfície húmida da Terra, onde o oxigénio insuficiente retardava a sua decomposição e levava à formação de turfa. Novas florestas e vida vegetal substituíram a vegetação morta, e quando as novas florestas e plantas morreram, também afundaram no terreno pantanoso. Com o passar do tempo e o consequente acúmulo de calor, camadas subterrâneas

Figura 1. Um exemplo da estrutura do carvão.

de vegetação morta começou a acumular-se, tornando-se fortemente compactado e comprimido, e deu origem a diferentes tipos de carvão, cada um com uma concentração diferente de carbono: antracite, carvão betuminoso, carvão sub-betuminoso, e lignite. O geólogo inglês William Hutton (1798-1860) chegou a esta conclusão em 1833, quando descobriu através de exame microscópico que todas as variedades de carvão continham células vegetais e eram de origem vegetal, diferindo apenas na vegetação que as compõe. Devido à sua origem em matéria viva antiga, o carvão, tal como o petróleo e o gás, é conhecido como um combustível fóssil. Ocorre em costuras ou veios de rochas sedimentares; as formações variam em espessura, com as das minas subterrâneas de 0,7-2,4 metros (2,5-8 pés) de espessura e as das minas de superfície, como no oeste dos Estados Unidos, às vezes com 30,5 metros (100 pés) de espessura.

Até o século XX os químicos sabiam muito pouco sobre a composição e a estrutura molecular dos diferentes tipos de carvão, e até os anos 20 ainda acreditavam que o carvão consistia em carbono misturado com impurezas contendo hidrogênio. Seus dois métodos de análise ou separação do carvão em seus componentes, a destilação destrutiva (aquecimento fora de contato com o ar) e a extração de solventes (reação com diferentes solventes orgânicos como a tetralina), mostraram apenas que o carvão continha carbono significativo, e percentagens menores dos elementos hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre. Compostos inorgânicos como o alumínio e os óxidos de silício constituem as cinzas. A destilação produziu alcatrão, água e gases. O hidrogênio foi o principal componente dos gases liberados, embora amônia, monóxido de carbono e gases de dióxido de carbono, benzeno e outros vapores de hidrocarbonetos estivessem presentes. (A composição de um carvão betuminoso por percentagem é aproximadamente: carbono, 75-90; hidrogénio, 4,5-5,5; azoto, 1-1,5; enxofre, 1-2; oxigénio, 5-20; cinzas, 2-10; e humidade, 1-10). A partir de 1910, equipes de pesquisa sob a direção de Richard Wheeler no Imperial College of Science and Technology em Londres, Friedrich Bergius (1884-1949) em Mannheim, e Franz Fischer (1877-1938) em Mülheim fizeram importantes contribuições que indicaram a presença de compostos benzenoides (benzenoides) no carvão. Mas a confirmação da estrutura benzenoidal do carvão só veio em 1925, como resultado dos estudos de extração e oxidação do carvão de William Bone (1890-1938) e sua equipe de pesquisa no Imperial College. O benzeno tri-, tetra-, e outros ácidos carboxílicos superiores que obtiveram como produtos de oxidação indicaram uma preponderância de estruturas aromáticas com três, quatro, e cinco anéis de benzeno fundidos, e outras estruturas com um único anel de benzeno. As estruturas mais simples consistiam de oito ou dez átomos de carbono, as estruturas com anel fundido continham quinze ou vinte átomos de carbono.

Classificação e usos do carvão

Investigadores europeus e americanos nos séculos XIX e início do XX propuseram vários sistemas de classificação do carvão. O mais antigo, publicado em Paris em 1837 por Henri-Victor Regnault (1810-1878), classifica os tipos de carvão de acordo com sua análise próxima (determinação das substâncias componentes, por porcentagem), ou seja, por suas porcentagens de umidade, matéria combustível, carbono fixo e cinzas. É ainda favorecido, de forma modificada, por muitos cientistas americanos do carvão. Outro sistema amplamente adotado, introduzido em 1919 pela cientista britânica Marie Stopes (1880-1958), classifica os tipos de carvão de acordo com seus constituintes macroscópicos: clarain (carvão brilhante comum), vitrain (carvão preto brilhante), durain (carvão bruto baço), e fusain, também chamado de carvão mineral (carvão em pó macio). Ainda outro sistema é baseado na análise final (determinação dos elementos químicos componentes, por porcentagem), classificando os tipos de carvão de acordo com suas porcentagens de carbono fixo, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, exclusivo das cinzas secas e enxofre. (Regnault também introduziu a análise final em seu trabalho de 1837). O cientista britânico Clarence A. Seyler desenvolveu este sistema em 1899-1900 e o expandiu muito para incluir um grande número de carvões britânicos e europeus. Finalmente, em 1929, sem um sistema de classificação universal, um grupo de sessenta cientistas de carvão americanos e canadenses trabalhando sob diretrizes estabelecidas pela American Standards Association (ASA) e a American Society for Testing Materials (ASTM) desenvolveu uma classificação que se tornou o padrão em 1936. Ela permanece sem revisão desde 1938.

O sistema ASA-ASTM estabeleceu quatro classes de carvão ou graus-antracite, betuminoso, sub-betuminoso e lignite com base no teor fixo de carbono e valor de aquecimento medido em unidades térmicas britânicas por libra (Btu/lb). Antracite, um carvão preto duro 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 ). Fornece combustível para aquecimento comercial e doméstico, para geração elétrica, e para as indústrias de ferro, aço e outras. O carvão betuminoso (de baixa, média e alta volatilidade), um carvão macio que produz fumaça e cinzas quando queimado, tem um teor fixo de carbono de 46-86 por cento e um valor de aquecimento de 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 milhões de joules/lb). É o carvão economicamente recuperável mais abundante do mundo e o principal combustível queimado em usinas geradoras elétricas movidas a turbinas a vapor. Alguns carvões betuminosos, conhecidos como carvões metalúrgicos ou de coque, possuem propriedades que os tornam adequados para conversão em coque utilizado na produção de aço. O carvão sub-betuminoso tem um 46-60

O carvão é uma das fontes de energia mais abundantes do mundo.

por cento de teor fixo de carbono e um valor de aquecimento de 8.300-13.000 Btu/lb (8,8-13,7 milhões de joules/lb). A quarta classe, lignite, um carvão marrom-preto macio, também tem um teor de carbono fixo de 46-60 por cento, mas o valor de aquecimento mais baixo, 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 matéria-prima para a fabricação. Sua destilação destrutiva (carbonização) produz gases hidrocarbonetos e alcatrão de carvão, dos quais os químicos sintetizam drogas, corantes, plásticos, solventes e inúmeros outros produtos químicos orgânicos. A hidrogenação ou liquefação de carvão a alta pressão e a liquefação indireta do carvão utilizando sínteses Fischer-Tropsch também são fontes potenciais de combustíveis líquidos e lubrificantes de queima limpa.

Preocupações Ambientais

A maior desvantagem do uso do carvão como combustível ou matéria prima é seu potencial de poluir o meio ambiente tanto na produção quanto no consumo. Esta é a razão pela qual muitos países produtores de carvão, como os Estados Unidos, há muito tempo têm leis que regulamentam a mineração de carvão e estabelecem padrões mínimos tanto para a mineração de superfície como subterrânea. A produção de carvão requer mineração tanto em minas de superfície (strip) como subterrâneas. A mineração de superfície deixa buracos na remoção do carvão, e para evitar a erosão do solo e um ambiente desagradável, os operadores devem recuperar a terra, ou seja, preencher os buracos e replantar o solo. A água ácida da mina é o problema ambiental associado à mineração subterrânea. A água que se infiltra nas minas, por vezes inundando-as, e o oxigênio atmosférico reage com pirita (sulfeto de ferro) no carvão, produzindo água ácida da mina. Quando bombeada para fora da mina e para rios, riachos ou lagos próximos, a água da mina os acidifica. Neutralizar a água da mina com cal e permitir o seu assentamento, reduzindo assim a presença de pirita de ferro antes da sua libertação, controla a drenagem ácida.

A combustão do carvão emite dióxido de enxofre e óxidos de nitrogênio, ambos causadores da chuva ácida. Vários métodos irão remover ou reduzir a quantidade de enxofre presente em muitos carvões ou impedir a sua libertação para a atmosfera. A lavagem do carvão antes da combustão remove o enxofre pirítico (enxofre combinado com ferro ou outros elementos). Queimar o carvão em um queimador de design avançado conhecido como queimador de leito fluidizado, no qual o calcário adicionado ao carvão combina com o enxofre no processo de combustão, evita a formação de dióxido de enxofre. A esfregação da fumaça liberada na combustão remove o dióxido de enxofre antes que ele passe para a atmosfera. Em um lavador, a pulverização de calcário e água na fumaça permite que o calcário absorva o dióxido de enxofre e o remova sob a forma de lama úmida. Tecnologias melhoradas de carvão limpo injectam calcário seco nos tubos que conduzem da caldeira da fábrica e removem o dióxido de enxofre como um pó seco (CaSO 3 ) em vez de um lodo húmido. A depuração não remove os óxidos de nitrogênio, mas a lavagem do carvão e as incineradoras de leito fluidizado que operam a uma temperatura mais baixa do que as caldeiras mais antigas da usina reduzem a quantidade de óxidos de nitrogênio produzidos e, portanto, a quantidade emitida.

Tecnologias limpas de carvão e processos de conversão de carvão em líquido levaram à queima mais limpa de carvão e combustíveis líquidos sintéticos, mas a chuva ácida continua a ser um problema sério apesar do reconhecimento pela sociedade dos seus efeitos nocivos desde 1852. O aquecimento global resultante da emissão de gases de efeito estufa, dióxido de carbono, metano e clorofluorocarbonos, é outro problema de combustão do carvão que a indústria e o governo têm ignorado em grande parte desde 1896, mas não pode mais ser evitado sem consequências graves a longo prazo.

Conclusão

O carvão continua a ser o combustível fóssil mais abundante do mundo, e juntamente com o petróleo e o 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, e não com desperdício, a fim de prolongar sua vida útil e reduzir suas emissões nocivas. A conservação dos combustíveis fósseis e o desenvolvimento de energias alternativas, como a energia solar e eólica, são caminhos para um futuro energético mais limpo da sociedade global.