BENEFÍCIOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AO USO DE ESPIRAIS COM TRÊS
PRODUTOS NO BENEFICIAMENTO DE CARVÃO MINERAL – UM ESTUDO DE
CASO EM SANTA CATARINA
José Roberto Ronconi – josé[email protected]
Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina – SATC
Rua Pascoal Meller, 73 – Bairro Universitário.
CEP 88805-380 – Criciúma, SC.
Ivo André Homrich Schneider – [email protected]
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS.
Av Bento Gonçalves, 9500 – Bairro Agronomia.
91501-970 - Porto Alegre, RS.
Resumo: O objetivo deste trabalho foi estudar o uso de uma espiral com três produtos no beneficiamento do carvão mineral.
A metodologia do trabalho incluiu a caracterização do processo convencional de beneficiamento de finos de carvão (espiral
com 2 produtos) e a caracterização da mesma espiral operando no sentido de se obter 3 produtos. Os fluxos de entrada e
saída foram analisados em termos d e massa, teor de cinzas, matéria volátil, carbono fixo, teor de enxofre total e
granulometria. Os resultados demonstram os benefícios no uso da espiral de 3 produtos. Além da concentração de carvão, é
possível obter dois outros produtos. Um com baixo teor de enxofre e, inclusive, potencial energético. Outro é um
concentrado de pirita (14,3% de pirita), que pode ser rebeneficiado, por exemplo elutriação aquosa, e ser comercializado
para produção de ácido sulfúrico, coagulantes, pigmentos ou abrasivos.
Palavras-chave: carvão mineral, pirita, meio ambiente, drenagem ácida, tratamento de minérios
ENVIRONMENTAL BENEFITS RELATED TO THE USE OF 3 PRODUCTS SPIRALS
IN COAL PROCESSING – A CASE STUDY IN SANTA CATARINA
Abstract: The aim of this work was to study the three product spiral in coal processing. The methodology included the
characterization of the conventional fine coal processing (2product spiral) and the characterization of the same equipment
adapted to produce 3 different materials. The overflow and downflow materials were analyzed in terms of mass; the content
of ash, volatile matter, fixed carbon; and total sulfur; and particle size distribution. The results showed the benefits of the use
three product spiral. It is possible to concentrate coal and, additionally, to recover two other products. One is: a low sufur
material, with energetic properties. Another isa pyrite concentrate (14.3% pyrite), that can be submitted to another
concentration process, e.g aqueous elutriation, to be used for production of sulfuric acid, coagulants, pigments, or abrasives.
Keywords: coal, pyrite, environment, acid mine drainage, mineral processing
1. INTRODUÇÃO
Historicamente, o carvão brasileiro foi descoberto em Santa Catarina, em 1827, na localidade de Guatá, município de
Lauro Müller e foi inicialmente explorado por uma empresa inglesa que construiu uma ferrovia ligando Lauro Müller ao
porto de Laguna. (http://www.cprm.gov.br/coluna/carvaomineral0.html)
Com o tempo, a mineração no estado se fortaleceu, de forma que foram ampliadas as ferrovias, e novas mineradoras
foram criadas.
O carvão mineral é uma das maiores fontes de energia não renovável do país. As
maiores reservas de carvão estão localizadas no Rio Grande do Sul, Santa Catarina
e Paraná com 28,8 bilhões, 3,4 bilhões e 100 milhões de toneladas respectivamente
(NASCIMENTO, 2002). O carvão produzido é dividido em dois tipos: energético e
metalúrgico. O carvão energético é destinado às termelétricas e o metalúrgico
destina-se principalmente à fabricação de agregados siderúrgicos e produtos
carboquímicos (PETERSON, 2008).
As camadaslavradas na região carbonífera de Santa Catarina são a camada Barro Branco, camada Bonito e a camada
Irapuá. O carvão de Santa Catarina precisa ser beneficiado para uso energético ou siderúrgico (Rubio, 1988). O objetivo
fundamental do beneficiamento do carvão é reduzir as impurezas associadas à ele. Um balanço de massa típico dos produtos
associados ao processamento de carvão mineral é apresentado na Figura 1.
produto
Cz: 21%
S: 1,9%
Massa:. 0,5%
overflow
flotação
Carvão ROM
Cz: 64%
S: 3,6%
Massa:100%
-1,0mm
Cz: 53%
S: 1,5%
Massa: 21%
espirais
underflow
britagem e
peneiramento
-50,8 +1,0mm
Cz:67%
S: 4,2
Massa: 79%
R1
Cz: 84%
S: 6,5%
Massa:25,8%
bacias de
sedimentação
hidrociclones
produto
Cz: 36%
S: 1,9%
Massa: 30,0%
jigue
R2
Cz: 81%
S: 4,7%
Massa: 20,9%
produto
Cz: 40%
S: 2,1%
Massa:.6,2%
"lodo"
Cz: 60%
S: 1,2%
Massa: 14,3%
Módulo B
R3
Cz: 64%
S: 3,7%
Massa: 2,3%
Figura 1. Balanço de massa típico decorrente do beneficiamento de carvão mineral na camada Barro Branco na região
Carbonífera de Santa Catarina(Schneider, 2006).
Os problemas gerados a partir da mineração do carvão na região carbonífera de Santa Catarina são inúmeros, e vão
desde a abertura da mina (boca), até os passivos deixados no passado, passando pela geração de DAM (Drenagem Ácida de
Mina), depósitos de rejeito a céu aberto, rios degradados entre outros.
Segundo Nascimento(2002), independente da forma de extração, a mineração de carvão gera uma quantidade enorme
de rejeitos, que são depositados em pilhas ou barragens próximas às áreas mineradas. De cada 1000 kg de material minerado,
aproximadamente 600 kg é composto por “rejeitos e estéreis”, que são depositados no entorno da área minerada, e 1,5 m3 de
efluentes ácidos.
Pirita é o sulfeto mineral mais comum. Encontra-se geralmente associado com
outros sulfetos ou óxidos em veios de quartzo, rocha sedimentar ou rocha
metamórfica, em leitos de carvão e também como mineral de substituição nos
fósseis. A pirita exposta ao meio ambiente durante o processo de mineração e
escavação pode reagir com oxigênio e água produzindo ácido sulfúrico e lixiviando
o solo. Sua oxidação é exotérmica, podendo levar à combustão espontânea dos
depósitos de rejeitos nas minas de carvão. Isso polui o ar e leva à formação de
chuva ácida (HURLBUT, 1985).
Esses depósitos, geralmente altos são grandes geradores de drenagem ácida de minas (DAM). Os módulos de rejeitos,
principalmente os mais antigos, não eram “construídos” de forma correta principalmente por não passarem por uma
compactação adequada e nem receberem uma cobertura (após seu fechamento), com camadas de argila de espessuras
adequadas. Assim as águas das chuvas facilmente infiltram nesses depósitos “ricos” em pirita gerando a DAM, que por sua
vez apresenta características semelhantes ao ácido sulfúrico, devido a composição química da pirita (FeS2).
Os principais impactos ambientais produzidos durante as etapas de lavra e
beneficiamento do carvão decorrem da disposição de resíduos sólidos (estéreis e
rejeitos). Esses resíduos contêm minerais sulfetados que propiciam a formação de
drenagens ácidas, disponibilizando metais bio-acumulativos, tornando as águas
inadequadas para uso doméstico e agropecuário. Estéreis e rejeitos ricos em sulfetos
de ferro (FeS2) oxidam-se em presença do ar e da água, desencadeando o processo
de acidificação de drenagens, que pode ocorrer em minas abandonadas ou em
operação (EVANGELOU, 1995).
O rejeito de carvão, quando expostos a intemperes, possuem características prejudiciais ao meio ambiente. Porém, se
tratados e beneficiados podem ser transformados em produtos de valor agregado como, por exemplo, ácido sulfúrico, sulfato
ferroso, sulfato férrico e óxidos de ferro (pigmentos) (Colling et al, 2011; Vigânico et al., 2011).
Figura 1: Concentrado piritoso fino. Fonte:Schneider, 2013.
As espirais, na etapa de beneficiamento, funcionam baseados na diferença de densidade existente entre o carvão e o
rejeito, utilizando-se de um meio fluido (água) para efetivar a separação/concentração dos produtos. O material menos denso,
ou seja, mais leve (carvão) fica na parte externa da espiral, enquanto que o material mais denso (rejeito) permanece na parte
interna da mesma. A Figura 2 ilustra uma espiral utilizada no beneficiamento do carvão mineral e os detalhes da saída das
espirais como são utilizadas hoje, no beneficiamento com dois produtos (carvão e rejeito) e, na proposta do presente
trabalho, com três produtos (carvão, rejeito intermediário e rejeito piritoso).
Figura 2: Imagem de uma espiral utilizada no beneficiamento do carvão e detalhes da saída de uma espiral
convencional (abaixo a esquerda) e da espiral de três produtos (abaixo a direita).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
As coletas das amostras foram realizadas em uma das espirais de um circuito típico de beneficiamento de carvões no
Município de Forquilhinha, SC. A espiral tem a função de separar o carvão da matéria mineral associada, por meio da
densidade. A pirita (mais densa), fica na parte interna da espiral, enquanto que o carvão (menos denso), na parte externa da
mesma.
Os produtos de saída foram coletados durante a operação do processo nas seguintes condições:
(a) Processo tradicional – uma placa de separação dividindo o carvão do rejeito
(b) Processo com três produtos – duas placas de separação, dividindo o fluxo de saída em três – carvão, material
intermediário e concentrado de pirita.
As características do material de alimentação foram calculadas pelo balanço de massa e teores dos materiais no fluxo
de saída.
As amostras obtidas desaguadas, secadas em estufa a temperatura de 120°C ± 20°C e quarteadas. O ensaio
granulométrico segue conforme NBR 8629 e consiste no peneiramento da amostra. Paras as análise imediata, as amostras
foram moídas para granulometria inferior a 60#, conforme NBR-8292.Para determinação da umidade total (NBR 8389) a
amostra foi levada a estufa a temperatura de 105°C a 110°C até secagem completa da amostra. Na análise de
umidadehigroscópica, um grama de amostra foi levado a estufa por uma hora em cápsula de alumínio a temperatura de 105ºC
a 110ºC (NBR 8293). O teor de cinzas baseia-se na determinação da massa do resíduo, resultante da combustão dos
componentes orgânicos e oxidação dos inorgânicos da amostra em forno mufla, sob rígido controle de massa (1.0g),
temperatura (775ºC ±25ºC), tempo (2 horas) e atmosfera, conforme NBR 8289. A matéria volátil consiste nos destilados
voláteis de uma amostra, desprendidos durante o aquecimento em forno elétrico na ausência de oxigênio, sob rígido controle
da massa da amostra (1.0g), tempo (7.0 min.) e temperatura (950ºC ±20ºC), conforme NBR 8290. O poder calorífico superior
baseia-se na combustão de uma amostra de massa conhecida (0.3g), em bomba calorimétrica, contendo oxigênio e submersa
em um determinado volume de água. Todo o conjunto deve ser mantido em câmara termicamente isolada, o processo
acontece num período de 7 minutos, conforme Manual do Equipamento LECO AC 500. Teor de carbono fixo, é o somatório
dos teores de cinzas e matérias voláteis da amostra, conforme NBR 8299.
O teor de enxofre total é a determinação da massa do resíduo, resultante da combustão dos componentes orgânicos e
oxidação dos inorgânicos da amostra em forno mufla, sob rígido controle de massa (0,250g), temperatura (1350°C (±5°C)),
tempo e atmosfera (40PSI), conforme Manual do Equipamento LECO CHN 628 Séries S, “Sulfur”. Para a determinação de
Carbono (C), Hidrogênio (H) e Nitrogênio (N),deve-se pesar em torno de 0,08 a 0,09g de amostra sobre uma folha de
estanho, em seguida acontecem as queimas, a primeira a 950ºC e a segunda a 850ºC, o processo todo leva em torno de 4 a 5
minutos para ser concluído,estes três foram analisados na forma elementar, conforme manual do Determinador CHN628.
Todos os ensaios foram feitos no LAEC – Laboratório de Análises e Ensaios de Carvão da SATC – Associação
Beneficente da Industria Carbonífera de Santa Catarina.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam, respectivamente, os resultados obtidos durante a operação da espiral na forma
tradicional (2 produtos) e na espiral proposta (3 produtos).
Na coluna convencional (Tabela 1), com dois produtos, é possível observar que é obtido um concentrado de carvão,
com uma massa de 55,6% da alimentação, com as seguintes características: 54,7% de cinzas, 3697 cal/g de poder
calorífico e 1,5% de S. O rejeito, com uma massa correspondente a de 44,4% da alimentação, apresenta 69,3% de cinzas e
um teor de enxofre de 7,7%. O teor de pirita no rejeito foi estimado em 14,3%.
Na coluna de produtos, o equipamento foi ajustado para manter as mesmas características da fração energética.
Contudo, o fluxo do rejeito foi dividido para permitir a obtenção de um rejeito com um menor de enxofre e um concentrado
de pirita. Assim, obteve-se outra fração, com uma massa correspondente a 20,1%, com 40,9% de cinzas e 1,4% de S. O
concentrado de pirita, com uma massa de 24,3%, apresenta 80,7% de cinzas e um teor de S total de 7,8%. O teor de pirita foi
calculado em 14,5%.
Assim, fica evidente, no estudo com a espiral de produtos, que é possível unir a fração energética, coletada na parte
mais externa da espiral com a fração obtida na parte mais central. Isso acarreta em uma redução em aproximadamente de
45% de massa de rejeitos finos deslocado para o módulo de rejeitos.
Pode-se também evidenciar estes dados com os resultados de carbono fixo, que na fração descartada na coluna de 2
produtos era de 14,7% e que na coluna de 3 produtos esse valor é de aproximadamente é de 5,9%.
Isso mostra claramente que a utilização da espiral de três produtos proposta no estudo na etapa de espirais do
beneficiamento do carvão tornaria se mais eficiente e lucrativa, pois agregaria minério de valor energético, tanto para a
empresa mineradora quanto para o meio ambiente, pois grande parte do material que antes seria depositada nos depósitos de
rejeito, com essa proposta isso não aconteceria mais.
Tabela 1: Balanço de massa e análises imediatasdo material de alimentação e saída da espiral convencional (2 produtos).
Espiral com 2 Produtos
Parâmetros
Alimentação
Carvão
Rejeito
100,0
24,2
1,2
58,3
18,1
23,6
--3,0
55,6
44,4
25,3
1,1
54,7
18,8
26,4
3697
1,5
20,8
1,4
69,3
16,0
14,7
2328
7,7
Massa (%)
Umidade Total (%)
UmidadeHigroscopia (%)
Cinzas (%)
MatériaVolátil (%).
CarbonoFixo (%)
Poder Cal. Superior (cal/g)
Enxofre Total (%)
Tabela 2: Balanço de massa e análises imediatas da alimentação e do material de saída da espiral de três produtos.
Espiral com 3 Produtos
Parâmetros
Massa (%)
Umidade Total (%)
UmidadeHigroscopia (%)
Cinzas (%)
MatériaVolátil (%).
CarbonoFixo (%)
Poder Cal. Superior (cal/g)
Enxofre Total (%)
Alimentação
Carvão
100,0
24,2
1,2
58,3
18,1
23,6
--3,0
Intermediário
Fraçãopirítica
55,6
20,1
25,3
1,1
54,7
18,8
26,4
3697
1,5
27,7
1,1
40,9
22,0
37,1
--1,4
24,3
18,8
1,4
80,7
13,4
5,9
1214
7,8
Adicionalmente, a Tabela 3 apresenta os resultados da análise granulométrica dos 3 produtos obtidos na coluna com
3 fluxos de saída. Pode-se observar, que praticamente 100% dos produtos apresentam granulometria inferior a 2,0 mm, sendo
que a maior parte situa na faixa granulométrica entre 0,25 e 2,00 mm.
Tabela 3: Análise granulométrica do material de saída da espiral de três produtos.
Fração (mm)
Carvão% P
Intermediário
FraçãoPirítica% P
0,4
> 2,00
0,4
0,4
22,3
2,00- 1,00
24,9
13,3
37,5
1,00 - 0,50
39,7
28,2
23,0
0,50 - 0,25
22,2
31,4
9,5
0,25 - 0,149
7,2
18,1
7,3
< 0,149
5,6
8,6
Analisando todo o conjunto dos resultados, fica evidente o benefício para o meio ambiente em se utilizar espirais
com três produtos no beneficiamento do carvão em Santa Catarina.
Sabe-se que aproximadamente 50-60% do carvão mineral Brasileiro (run-of-mine) é descartado, após
beneficiamento, em depósitos de rejeito, contendo diversos minerais e, particularmente, pirita (FeS2) (VIGÂNICO e outros,
2011; RUBIO, 1988). Avaliando-se apenas o resultado obtido a partir do enxofre, observa-se que no caso de simplesmente
retirarmos a pirita do meio, já seria reduzido substancialmente o potencial de geração de acidez do produto.
A partir dos resultados obtidos, fica clara a possibilidade de utilização do material intermediário na mistura da espiral
de três produtos com a fração energética. A fração piritosa, com menor massa, após tratamento adequado, pode ser inclusive
beneficiada pelo recente processo de floto-elutriação desenvolvido por Rubio e Englert (2012). Quando concentrada, pode ser
enviada para a produção de ácido sulfúrico, pigmentos, coagulantes e abrasivos. A granulometria fina é favorável
principalmente para a produção de abrasivos. Assim estes materiais deixariam de ser enviados a depósitos de rejeito.
4. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos com este estudo deixam claro os benefícios ao meio ambiente e para a mineração a utilização
de espirais com três produtos, pois pode-se aumentar a massa da fração energética e deixa-se de depositar consideráveis
volumes de enxofre no ambiente. A partir do momento em que se dá um destino adequado para esse material altamente
poluente, o mesmo pode apresentar valor agregado significativo se utilizado de forma adequada, como por exemplo na
produção de ácido sulfúrico, coagulantes, pigmentos, abrasivos entre outros.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Carbonífera Criciúma pelo auxílio nos experimentos e coleta da amostras bem como SATC
pelas análises realizadas.
6. REFERÊNCIAS
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8289 – Carvão Mineral: Determinação do Teor de Cinzas. 4p.,
1983.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8292 – Carvão Mineral: Preparação de amostra de carvão mineral
para análise e ensaios. 13p,.1983.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8290 – Carvão Mineral: Determinação do Teor de Matérias
Voláteis. 3p., 1983.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8389 – Coque: Determinação da Umidade Total. 4p,. 1984.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8293 – Carvão Mineral: Determinação da Umidade Higroscopia.
6p,. 1983.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8299 – Carvão Mineral: Determinação de Carbono Fixo. 2p,.
1983.
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 8629 – Carvão Mineral: Análise Granulométrica. 4p,. 1984.
CPRM Serviço Geológico do Brasil, Citação de referências e documentos eletrônicos. Disponível em:
<http://www.cprm.gov.br/coluna/carvaomineral0.html>Acesso em: 02 fev. 2014.
COLLING, A.V.; MENEZES, J.C.S.S.; SCHNEIDER, I.A.H. Bioprocessing of pyrite concentrate from coal tailings for the
production of the coagulant ferric sulphate. Minerals Engineering, v.24, p.1185-1187, 2011.
ENGLERT, A.H.; RUBIO, J. Beneficiamento de Rejeito Piritoso do Processamento de Carvão Mineral por Elutriação
Aquosa. In: III Congresso Brasileiro de Carvão Mineral, 2011, Gramado. Anais do III Congresso Brasileiro de Carvão
Mineral, 2011
EVANGELOU, V. P. Pyrite Oxidation And its Control: Solution Chemistry, Surface Chemistry, Acid Mine Drainage
(AMD), Molecular Oxidation Mechanisms, Microbial Role, Kinetics, Control, Ameliorates And Limitations,
Microencapsulations. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2000.
HURLBUT, Cornelius S.; Klein, Cornelis, 1985, Manual de Mineralogia, 20th ed., John Wiley and Sons, New York, p 285286.
Manual do Equipamento LECO AC 500 – Determinação do Poder Calorifico Superior, AutomaticCalorimeter – Instruction
Manual. LECO Corporation, 3000, Lakeview Avenue. St. Joseph, MI 49085-2396; February, 2008.
Manual do Equipamento LECO CHN 628 Séries S, “Sulfur” – Determinação de Enxofre, Add-ON Module (For 628 Series
determinators) – Instruction Manual. LECO Corporation, 3000, Lakeview Avenue. St. Joseph, MI 49085-2396; August,
2011.
Manual do Equipamento LECO CHN 628 – Determinação de Carbono, Hidrogênio e Nitrogênio, Carbon / Hidrogen /
Nitrogen Determinator – Instruction Manual. LECO Corporation, 3000, LakeviewAvenue. St. Joseph, MI 49085-2396;
January, 2012.
PETERSON, M. Produção de sulfato ferroso a partir da pirita: desenvolvimento sustentável, (Tese de doutorado).
Florianópolis, 2008. Disponível em: < http://www2.enq.ufsc.br/teses/d059.pdf> Acesso em: 2. dez. 2011.
RUBIO, J. Carvão Mineral: Caracterização e Beneficiamento. Vol. 1. Porto Alegre: Nova Linha Artes Gráficas, 240 p., 1988.
SCHNEIDER, C. H. Caracterização da Pirita - Carbonífera Criciúma SA, 4p., 2013.
VIGÂNICO, E.M.; COLLING, A.V.; SILVA, R.A.; SCHNEIDER, I.A.H. Biohydrometallurgical/UV production of ferrous
sulphate heptahydrate crystals from pyrite present in coal tailings. MineralsEngineering, v.24, p.1146-1148, 2011.