eee2p.gif (2459 bytes) Economia & Energia
No 21 - Julho - Agosto 2000
setae.gif (960 bytes) No 21 English Version  

Apoio:         
fapemiggif.gif (1508 bytes)

BUSCA

CORREIO

DADOS ECONÔMICOS

DOWNLOAD

e&e ANTERIORES

e&e No 21


Frota e Consumo de Veículos Leves no Brasil
O Futuro do Carvão Vegetal na Siderurgia
Sinopse Energética
Vínculos e&e

Acompanhamento Econômico:
Reservas
Dívida Pública
Energia:
Equivalências
Glossário
Dados históriocos
Para Download
Balanço Energético 1999

Livro de Visitas
guestbook
Guestbook

http://ecen.com

O FUTURO DO DO CARVÃO VEGETAL NA SIDERURGIA

EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA NA PRODUÇÃO E CONSUMO DO CARVÃO VEGETAL

Omar Campos Ferreira
omar@ecen.com

Mostrou-se no Nº 20 da e&e que o carvão vegetal é usado preponderantemente na produção de ferro-gusa e aço. As usinas integradas tendem, na atualidade, a utilizar o coque de carvão mineral. Tem-se informação de que a usina a carvão vegetal da Belgo-Mineira, em Monlevade-MG, está em vias de desativar os altos fornos a carvão vegetal em favor de um único alto-forno a coque. A se confirmar a tendência, o carvão vegetal ficará confinado ao mercado de produtores independentes de ferro-gusa, à produção de ferro-ligas em algumas regiões onde existem ainda reservas de florestas plantadas ou de matas nativas exploráveis sob o regime de manejo, e à complementação da sucata nos fornos elétricos a arco.

O estudo sobre o mercado de ferro primário citado anteriormente mostra, entretanto, que o carvão vegetal poderia sustentar um esforço de exportação de ferro-gusa para uso em fornos elétricos, cuja demanda mundial deverá crescer para atingir a 63 milhões de toneladas em 2.010. Os dados sobre o sistema integrado biomassa-tubos sem costura, a seguir, foram obtidos da referência (1).

A madeira para a produção do carvão provém de uma plantação de 58.000 ha, com várias espécies de eucalipto (E. Camaldulensis, Cloesiana, Urophylla e Pellita) selecionadas como bem adaptáveis ao clima e solo da região de Noroeste de Minas Gerais. Modernas práticas de silvicultura foram observadas com os objetivos de preservar parte do cerrado nativo e a fauna, produzindo carvão de boa qualidade e a custos convenientes. A fotografia seguinte mostra uma plantação da Mannesmann Florestal S. A , vendo-se ilhas de mata nativa ligadas por corredores ecológicos que facilitam o trânsito de animais de grande porte e preservam pássaros e insetos que atuam como controladores biológicos de pragas. A produtividade alcançada nas plantações antigas é de 9 t/ha.a de madeira seca e de 14 t/ha.a nas mais recentes que utilizam mudas melhoradas. Espera-se atingir a 18 t/ha.a com o emprego de clones já disponíveis comercialmente (1).

INVENTÁRIO DE CARBONO.

Na prática atual, o eucalipto é cortado no 70 , 140 e 210 anos sem a necessidade de replantio (rebrota). Assim, mantém-se um estoque permanente de madeira em pé, enquanto perdura a produção da siderúrgica, correspondente aos 6 anos de crescimento da planta. Realizado o corte, as raízes, galhos menores e folhas são deixados no local, constituindo um estoque adicional de carbono. Os cálculos de inventário de carbono são feitos com base na cinética de desenvolvimento da planta (1) e na análise elementar da madeira (2).

Análise elementar da madeira (% de massa seca)

Carbono Oxigênio Hidrogênio Nitrogênio Cinzas Água
47,0 41,0 5,7 0,3 0,8 20,0

O gráfico mostra que a massa de carbono contida no tronco, na época do corte (entre 72 e 84 meses) é aproximadamente igual à massa contida nas demais partes da árvore. A figura seguinte mostra esquematicamente o balanço de massa no processo (1).

 Inventário de carbono (por tonelada de tronco abatido, base seca)

  Biomassa Carbono CO2 O2
Tronco abatido 1,00 0,47 1,73 1,26
Troncos acumulados em 6 anos 3,00 1,41 5,19 3,77
Raízes, 70 ano 2,99 1,40 5,13 3,73
Galhos acum. 6 anos 0,48 0,23 0,83 0,60
Folhas acum. 6a 0,33 0,17 0,62 0,45
Estoque total 6,80 3,21 11,76 8,56

A tabela acima mostra que, para cada tonelada de carbono posto em circulação no processo produtivo, a plantação armazena 6,8 t de carbono nos troncos em desenvolvimento e nas partes não processadas.

EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA NA PRODUÇÃO DO CARVÃO VEGETAL.

O cálculo da massa de gases emitidos é feito a partir da análise elementar dos gases não condensáveis, representando 25% da massa de madeira seca carbonizada, reproduzida abaixo (2)

Gases não condensáveis ( % de massa )

Hidrogênio

0,63

Metano

2,43

CO

34,0

Etano

0,13

CO2

62,0

Os parâmetros de conversão , já apresentados no Relatório Parcial, são os seguintes:

  • Densidade aparente da madeira (eucalipto) empilhada = 0,62 t/st

  • Densidade aparente do carvão a granel = 0,25 t/m3

  • Rendimento da carbonização (m3 carvão/st) (3) = 0,50 m3 / st

  • Consumo específico de carvão na redução (3) = 2,9 m3 / t gusa

Em unidades métricas, 1 t de ferro-gusa requer 0,725 t de carvão vegetal, produzido a partir de 3,6 t de madeira.

Na prática atual, 5% da massa de madeira enfornada é queimada para aquecer a carga do forno. A composição da fumaça liberada nesta fase não é conhecida. Considerando a pequena massa queimada, supõe-se a conversão completa do carbono em CO2 equivalente

Com estes dados, a emissão calculada para a produção do carvão vegetal é mostrada a seguir:

EMISSÃO NA PRODUÇÃO DO CARVÃO VEGETAL.

INSUMO

PRODUTO

EMISSÃO

0,05 t madeira

calor

CO2 0,086 t

0,95 t madeira

0,19 t carvão

CO2 0,147 t

    CO 0,081 t
    CH4 0,006 t
    C2H6 < 0,001t

EMISSÃO NA REDUÇÃO DO MINÉRIO DE FERRO EM FERRO-GUSA.

Referindo a emissão a 1 t de madeira enfornada e levando em conta a perda de 10% do carvão (4) no manuseio e no transporte, a massa de carvão que entra no alto-forno é 0,17 t. O consumo específico de carvão é de 2,9 m3 / t gusa (5) ou 0,725 t carvão / t gusa, de forma que a massa de gusa produzida por tonelada de madeira enfornada é de 0,23 t. O teor típico de carbono no ferro-gusa é de 4,3% em massa.

Com estes dados, o balanço de carbono na redução é o apresentado a seguir:

BALANÇO DE CARBONO NA REDUÇÃO

Entrada de carbono

0,17 t de carvão com 86% de carbono fixo

0,146 t

Saídas de carbono

0,23 t gusa

0,010 t

Gás de alto-forno (balanço)

0,136 t

A composição do gás de alto-forno a carvão vegetal e a emissão gasosa por tonelada de madeira enfornada estão apresentadas na tabela a seguir:

Emissão gasosa na redução com carvão vegetal por tonelada de madeira enfornada

Gás

CO2

CO

CH4

H2

N2

% massa

28,8

20,3

0,3

0,4

50,1

Massa - t

0,039

0,028

0,408x10-3

0,54x10-3

0,068

EMISSÃO TOTAL NA PRODUÇÃO DO CARVÃO E NA REDUÇÃO.

Na tabela a seguir estão consolidadas as emissões relevantes na produção do carvão e na redução do minério de ferro por tonelada de madeira enfornada.

Gás

CO2

CO

CH4

Produção do carvão

0,233 t

0,081

0,006

Redução

0,039

0,028

< 0,001

Total

0,272

0,109

0,006

É útil exprimir a emissão por tonelada de ferro-gusa produzido que se mostra na tabela seguinte:

Gás

CO2

CO

CH4

Emissão / t de gusa

1,18

0,47

0,026

EMISSÕES COMPARADAS NO CICLO COMPLETO DE PRODUÇÃO DE AÇO COM COQUE DE CARVÃO MINERAL E COM CARVÃO VEGETAL.

A produção de aço compreende a redução do minério (alto-forno) e a descarbonetação do ferro primário (forno básico a oxigênio). O diagrama a seguir (R), referente à rota de produção da MANNESMANN S.A., apresenta uma comparação das emissões de CO2 no ciclo com coque e com carvão vegetal. Os dados referem-se a usina utilizando no alto-forno 80% de sinter de finos de minério de ferro e 20% do minério de granulado e 20% de sucata no forno básico a oxigênio.

Figura co2

Para comparar os resultados dos cálculos mostrados anteriormente com os do trabalho acima (1), as emissões de gases são expressas em massa de carbono contido, visto que o mesmo não discrimina os compostos de carbono emitidos, e limitar a comparação às etapas de carbonização e de redução.

Massas de carbono contido:
Este relatório : Massa contida no CO2 = 1,18 t x 12/44 = 0,322 t
Massa contida no CO = 0,47 t x 12/28 = 0,202 t
Massa total = 0,522 t
Trabalho acima
Massa total = 2,11 t x 12/44 = 0,575 t

A diferença relativa entre os dois resultados é da ordem de 10%, o que pode ser explicado pela adoção de índices diferentes, já que a dispersão de valores mencionados nos trabalhos consultados supera a diferença.

Os autores do trabalho concluem que a análise comparada das rotas a coque e a carvão vegetal endossa a proposta de estabelecimento de crédito internacional, ou bônus, pelo seqüestro de carbono e pela regeneração de oxigênio. Conforme se vê no diagrama apresentado, a rota coque libera 1,65t de CO2 e fixa 1,536 t de O2 por tonelada de aço produzido, ao passo que a rota a carvão vegetal seqüestra 16,336 t de CO2 e regenera 1,536 t de O2 por tonelada de aço produzido, no ciclo completo desde a plantação do eucalipto até a produção do aço. Em adição, a rota a coque libera 7 kg de óxido de enxofre (SO2), emissão esta praticamente ausente na rota a carvão vegetal.

A questão em exame comportaria estudos mais refinados, incluindo, do lado do carvão vegetal, análise dos insumos energéticos diretos (acionamento de máquinas usadas na moderna indústria do carvão vegetal, p. ex.) e indiretos (energia empregada na extração e beneficiamento dos nutrientes aplicados na assistência à floresta plantada, p. ex.). Estudo deste tipo foi aplicado à produção do álcool da cana de açúcar, mostrando que a eficiência exergética da fase industrial é da ordem de grandeza dos melhores processos industriais, enquanto que a eficiência na fase agrícola, considerada a fatalidade da incidência da radiação solar na terra e do ciclo hidrológico, ou seja, não se atribuindo custo exergético à energia solar e à chuva, supera os 400% (6).

Observe-se que a redução em forno elétrico, com carga mista de ferro-gusa de carvão vegetal e sucata, reduziria a emissão na proporção da sucata empregada. Todavia, esta vantagem só é real se a eletricidade for de origem renovável (hidroelétrica ou termo elétrica a biomassa), visto que a eficiência dos melhores ciclos termodinâmicos ainda é da ordem de 50%, ou seja, para produzir 1 kWh de eletricidade é necessário empregar, no mínimo, 1.900 kcal que os países industrializados obtêm da conversão de combustíveis fósseis, com emissão de gases de efeito estufa, conforme apresentado em trabalho anterior (e&e).

As considerações acima mostram as condições singulares do Brasil para liderar um movimento no sentido do estabelecimento do sistema de bônus pelo seqüestro do carbono e concomitante regeneração do oxigênio, evitando o apelo à energia núcleo-elétrica, de riscos tão ou mais graves que os representados pelo uso de combustíveis fósseis. Um estudo econômico, empregando o conceito de energia eqüivalente ou, melhor ainda, o conceito de exergia, permitiria quantificar o valor do bônus. Trata-se de trabalho de grande fôlego, muito além das dimensões deste relatório.

CONCLUSÕES.

As condições de produção e de uso do carvão vegetal na siderurgia examinadas neste trabalho indicam que a indústria de carvão pode atingir a plena maturidade, em função da prevista elevação do preço do petróleo que puxaria os preços dos demais vetores energéticos. Estudos internacionais consultados consideram possível o retorno a economia energética baseada no carvão mineral para produzir combustíveis líquidos sintéticos (7).

Da mesma forma que o álcool combustível, o carvão vegetal concorre com um combustível-redutor fóssil, de custo forçosamente inferior e que, por sua vez, concorre com outro combustível fóssil, o gás natural, cujo uso vem ganhando impulso devido às suas múltiplas aplicações. Assim, o carvão vegetal deve ser considerado por suas vantagens ecológicas e sociais, de vez que o setor emprega numerosa mão de obra pouco qualificada, ocupa terras de valor marginal, por serem pouco adequadas à produção agrícola, além de gerar renda em regiões onde as alternativas de emprego não são particularmente favoráveis ao trabalhador. O potencial de seqüestro de carbono e de regeneração do oxigênio, aliado à melhor qualidade do gusa de carvão vegetal como fonte de metal virgem para os fornos elétricos a arco, qualifica este combustível como fator de motivação para as negociações internacionais relacionadas com o clima global.

PROGRAMA DO CARVÃO VEGETAL.

Em meados da década de 70, a Fundação João Pinheiro, órgão ligados à secretaria do Planejamento do Governo de Minas Gerais, definiu um programa de estudos e de pesquisas visando a caracterização do carvão vegetal, a otimização do processo de carbonização e o melhoramento dos fornos usados no setor. A entidade executora do programa foi a Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais - CETEC - que operou em articulação com o Instituto Estadual de Florestas. O CETEC desenvolveu os trabalhos de laboratório (análises da madeira e do carvão, ensaios de friabilidade, determinação do poder calorífico), estudos econômicos sobre a produção da madeira e do carvão e formulou projetos de Normas Técnicas propostos à Associação Brasileira de Normas Técnicas. Várias reuniões técnicas foram promovidas pelo CETEC com a participação de empresas siderúrgicas (ACESITA, MANNESMANN, BELGO-MINERIA, entre outras) e de fabricação de equipamentos.

Um programa de formação de pessoal foi estabelecido entre a Universidade Federal de MG (Departamento de Engenharia Metalúrgica) e a ACESITA, resultando em enfoque especial para o carvão vegetal nos trabalhos de dissertação (12 dissertações apresentadas entre 1981 e 1998, com maior concentração na década de 80, relacionadas com modelamento matematico de processos, diagnóstico energético, tratamento térmico, injeção de finos de carvão, produção do sinter, mistura de coque e carvão vegetal, etc.). Uma coletânea de trabalhos apresentados está na série Publicações Técnicas do CETEC ( n0 04 a 08) que se constitui importante fonte de consulta no tema.

A ACESITA operou, nesse período, uma bateria de fornos de carbonização experimentais, complementando os recursos do CETEC e da UFMG. Realizou ainda experimentos com motores Otto e Diesel usando gás de carvão (gasogênio), com resultados considerados satisfatórios na ocasião. Pesquisou ainda o uso do carvão vegetal em motores de bombas de irrigação e em grupo motor-gerador. Não foram realizados ensaios de emissão pelos motores, visto não estar estabelecida, na época, a legislação pertinente.

Passados os efeitos dos choques do petróleo, as pesquisas foram sendo gradativamente abandonadas e o Programa do Carvão Vegetal seguiu uma trajetória parecida com o do Programa do Álcool. Na atualidade, poucas empresas de siderurgia integrada ainda consideram esta alternativa ao coque, entre elas a MANNESMANN. O consumo de carvão pelos produtores independentes de ferro-gusa, mostrado no gráfico abaixo, também apresenta tendência de queda.

REFERÊNCIAS.

1- CO2, O2 AND SO2 OVERAL BALANCE FOR THE IRON AND STEEL PRODUCTION THROUGH THE USE OF BIOMASS OR COAL BASED INTEGRATED PROCESSES. Ronaldo Santos Sampaio e Maria Emília Antunes Resende

2 - PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DE CARVÃO VEGETAL. Publicação Técnica n. 8 - CETEC - 1982

3 - COMPETITIVIDADE E PERSPECTIVAS DA INDÚSTRIA MINEIRA DE FERRO- GUSA. SINDIFER / FIEMG - 1997

4 - STATE OF THE ART REPPORT ON CHARCOAL PRODUCTION IN BRASIL. FLORESTAL ACESITA S. A - 1982

5 - ANUÁRIO ABRACAVE (vários anos)

6 - ANÁLISE EXERGÉTICA DA PRODUÇÃO DE ETANOL DA CANA DE AÇÚCAR. Otávio de Avelar Esteves - Dissertação de Mestrado - CCTN/UFMG - 1995

7 - ENERGY IN A FINITE WORLD. International Institute for Applied Systems Analysis - 1981

8 - BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL. Ministério das Minas e Energia - 1999