Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2018-07-27T18:43:45Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Maria Eugênia de Oliveira Ferreira - 2017.pdf: 2295850 bytes, checksum: 937ef23483ab6e46d51253d73c4e2ef2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-07-30T14:07:22Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Maria Eugênia de Oliveira Ferreira - 2017.pdf: 2295850 bytes, checksum: 937ef23483ab6e46d51253d73c4e2ef2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-30T14:07:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Maria Eugênia de Oliveira Ferreira - 2017.pdf: 2295850 bytes, checksum: 937ef23483ab6e46d51253d73c4e2ef2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-06-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Heavy petroleum fractions, especially the vacuum residue, concentrate the largest amounts of nitrogen compounds. Such compounds are considered contaminants of the refining process, and interfere in the conversion steps to obtain lighter derivatives from the heavy fractions. In this study, the aim was to evaluate the removal of nitrogen compounds by adsorption process. Quinoline solution solubilized in toluene was used as a synthetic filler. Commercial activated carbons from coconut shell of babaçu and dendê in their original form and chemically modified with concentrated solutions of nitric and sulfuric acid, as well as sulfonated carbon developed from the rice husk, were evaluated for the adsorption capacity against compounds nitrogen residues present in the vacuum residue and synthetic charge. The textural characteristics of the adsorbents were also evaluated, in which it was observed that the modification with acid reduces the specific area of the activated carbons, but it promotes an increase in the removal of quinoline from the medium. From the preliminary batch adsorption test, the activated carbon from dendê treated with sulfuric acid (CDAS) was able to remove 67.08% of the quinoline present in the solution and was selected for kinetic and equilibrium study. The adsorption kinetics of quinoline were relatively fast for the three concentrations studied (500, 2000, 5000 mg L-1), reaching equilibrium after 240, 120 and 60 minutes of contact, respectively. The kinetic data for the three systems fit the pseudo-second order model better. The equilibrium data were better adjusted to the Freundlich model, revealing the physisorption character of adsorptive process. The maximum adsorption capacity obtained by Langmuir model was 56.63 mg g-1. The results show that CDAS is a promising adsorbent for the removal of quinoline in organic medium. In relation to the vacuum residue sample, batch adsorption tests were conducted in such a way to ascertain the efficiency in class N removal. The results of Mass Spectrometry, ESI (±) Orbitrap MS, showed that the adsorbents CBB and CBAN were more selective in the removal of the non-basic nitrogen compounds, while the basic nitrogenous ones were more persistent and were not removed by any of the adsorbents tested. / As frações pesadas do petróleo, especialmente o resíduo de vácuo, concentram as maiores quantidades de compostos nitrogenados. Tais compostos são considerados contaminantes do processo de refino, e interferem nas etapas de conversão para obtenção de derivados mais leves a partir das frações pesadas. Esta dissertação teve por objetivo avaliar a remoção de compostos nitrogenados por meio do processo de adsorção. Solução de quinolina solubilizada em tolueno foi utilizada como carga sintética. Carvões ativados comerciais de casca de coco de babaçu e de dendê, em suas formas original e modificados quimicamente com soluções concentradas de ácido nítrico e sulfúrico, além de carvão sulfonado desenvolvido a partir da casca de arroz, foram avaliados quanto à capacidade de adsorção frente a compostos nitrogenados presentes na carga sintética e no resíduo de vácuo (resíduo da última etapa de destilação do petróleo). As características texturais dos adsorventes também foram avaliadas, e foi observado que a modificação com ácido reduziu a área específica dos carvões, no entanto promoveu o aumento da remoção de quinolina do meio. A partir do teste preliminar de adsorção em batelada, o emprego do carvão ativado da casca de dendê tratado com ácido sulfúrico (CDAS) resultou na remoção de 67,08% da quinolina presente na solução e foi selecionado para estudo cinético e de equilíbrio. A cinética de adsorção da quinolina revelou um processo relativamente rápido para as três concentrações estudadas (500, 2000, 5000 mg L-1), atingindo o equilíbrio após 240, 120 e 60 minutos de contato, respectivamente. Os dados cinéticos, para os três sistemas, foram ajustados com sucesso ao modelo de pseudo-segunda ordem. Os dados de equilíbrio foram melhor ajustados ao modelo de Freundlich, revelando o caráter de fisissorção do processo adsortivo. A capacidade de adsorção máxima, obtida segundo modelo de Langmuir foi de 56,63 mg g-1. Os resultados mostram que o CDAS é um adsorvente promissor para a remoção de quinolina em meio orgânico. Em relação à amostra de resíduo de vácuo, ensaios de adsorção em batelada foram conduzidos de tal forma a averiguar a eficiência na remoção da classe N. Os resultados de Espectrometria de Massas, ESI (±) Orbitrap MS, mostraram que os adsorventes CBB e CBAN foram mais seletivos na remoção dos compostos nitrogenados não-básicos, enquanto os nitrogenados básicos mostraram-se mais persistentes, não sendo removidos por nenhum dos adsorventes testados.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-01T13:05:24Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joelena de Jesus Mendes - 2018.pdf: 1867993 bytes, checksum: f8a2333eed5c0835dc6db7b01b643245 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-01T13:53:57Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joelena de Jesus Mendes - 2018.pdf: 1867993 bytes, checksum: f8a2333eed5c0835dc6db7b01b643245 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-01T13:53:57Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joelena de Jesus Mendes - 2018.pdf: 1867993 bytes, checksum: f8a2333eed5c0835dc6db7b01b643245 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-05-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The production of charcoal is a prominent activity in the brazilian economy, mainly in the State of Minas Gerais, where its production has as main destination the steel industry. In Brazil, the activity of charcoal was marked by processes of hard and intense work and in many cases "analog to slave labor". In the last decade of the XX Century and the beginning of the XXI Century, the production of charcoal in Minas Gerais underwent a process of restructuring, this process changed so how to produce as the lives of those involved in the production. This research has as analyze the charcoal production process in the north of the State of Minas Gerais, considering the work process, the socioeconomic profile of the workers and the current context. The new production context contrasts with the traditional forms of charcoal production in a scenario of great social, economic and environmental impacts. This contrast takes place in the form of production and organization of work in charcoal and coal-mining companies, where, at the same time as they have real industries in this field, there are visible archaic productions, small manufactures that go back to forms of production considered as exceeded by this sector.The labor allows understand the capitalist society and its way of organize, because it has significant importance in social life, besides impacting individual workers. / A produção de carvão vegetal é uma atividade de destaque na economia brasileira, principalmente no Estado de Minas Gerais, onde sua produção tem por principal destino a indústria siderúrgica.No Brasil, a atividade de carvoejamento foi marcada por processos de trabalho árduo e intenso e em inúmeros casos “análogo ao trabalho escravo”. Na ultima década do século XX e início do século XXI, a produção de carvão vegetal em Minas Gerais vivencia um processo de reestruturação, tal processo alterou tanto a forma de produzir quanto a vida daqueles/as envolvidos/as na produção. Este trabalho tem por objetivo analisar o processo de produção do carvão vegetal no município de Grão Mogol, localizado no norte do Estado de Minas Gerais, onde essa análise se estende, considerando o processo de trabalho, perfil socioeconômico dos/as trabalhadores/as e o contexto atual. O novo cenário de produção contrasta com as formas tradicionais de produção do carvão vegetal, em um campo de grandes impactos sociais, econômicos e ambientais. Esse contraste se dá na forma de produção e organização do trabalho em carvoarias e empresas voltadas para o carvoejamento, onde ao mesmo tempo em que se têm verdadeiras indústrias nesse ramo, se mostram visíveis produções arcaicas, pequenas fabriquetas que remontam a formas de produção e gestão do trabalho, consideradas como ultrapassadas por esse setor. Ater ao trabalho como centro de debate, possibilita compreender aspectos da sociedade capitalista e sua forma de organização, tal qual a importância na vida social, além de impactar individualmente trabalhadores/as.

A injeção de carvão pulverizado (PCI — pulverized coal injection) nos altos-fornos (AFs) é uma tecnologia utilizada pelas usinas siderúrgicas para aumentar a produtividade e diminuir o consumo de coque no AF. Nas últimas décadas as taxas de injeção de carvão pulverizado aumentaram na maior parte dos AFs. O principal problema associado à utilização de altas taxas de PCI é a geração de char (carvão incombusto) na zona de combustão. Este material percorre um caminho ascendente junto ao fluxo gasoso, podendo acumular-se e assim prejudicar a permeabilidade do AF. A presença, nas amostras sólidas recolhidas do gás de saída do AF, de altos teores de char pode ser o resultado da injeção de um carvão pulverizado com uma combustibilidade inadequada e de uma operação instável do AF. Portanto, conhecer a proporção de char que sai do AF contribuirá na seleção do tipo de carvão utilizado e na otimização da prática de PCI. Análises químicas das amostras de pó do AF revelam, sem distinguir, a presença de materiais carbonosos. A microscopia ótica foi utilizada para estudar estas amostras sólidas, mas apresenta certas limitações. A difração de raios-X (DRX) é uma técnica padrão para caracterizar a estrutura cristalina dos materiais. Ela também pode ser utilizada para quantificar as dimensões dos cristalitos (Lc, La, etc.) dos materiais carbonosos. Uma vez que a estrutura do coque é mais ordenada que a do char, seria possível quantificar a proporção destes materiais nas amostras de pó do AF através da DRX combinada a análises químicas. O objetivo principal deste trabalho foi identificar e quantificar os componentes carbonosos (char e finos de coque) presentes no pó de balão (PB) do AF, por DRX e análise elementar de carbono. O efeito da temperatura sobre a grafitização do coque também foi avaliado, a fim de identificar a possível origem dos finos de coque gerados no AF. Três amostras de PB coletadas de um AF, uma em operação a coque e duas a PCI, foram selecionadas. Os pós foram fracionados e analisados quimicamente. Após, as frações destas amostras foram moídas, desmineralizadas e analisadas por DRX e análise elementar de carbono. Amostras de char produzidas em laboratório e respectivos carvões foram utilizados como padrões para a quantificação. Amostras de coque foram tratadas termicamente a diferentes temperaturas, sendo posteriormente analisadas por DRX. Este estudo mostrou que a DRX pode ser usada como técnica padrão para identificar as estruturas do char e do coque podendo ser utilizada para quantificar a proporção destes materiais carbonosos no pó de balão do AF. Além disto, observou-se que quanto maior a temperatura de tratamento térmico mais ordenada fica a estrutura cristalina do coque. / In a Blast Furnace (BF), Pulverized coal injection (PCI) is the most popular injection technology used worldwide to reduce coke consumption and to increase the productivity. In the last decades the PCI injection rates raised in the most of BFs. One of the problems during the PCI operation in BF is the unburnt char formation. Higher char levels in the BF stack could impact burden permeability. The off gas BF solid samples contain char, coke fines, metallic oxides, etc. The quantification of the carbonaceous materials content in these samples could be used to improve the PCI performance in operating BF. Chemical analysis in the BF dust samples reveal without differentiates some carbonaceous material. The optical microscopy was used to study these solid samples but with some restrictions. XRD (X-ray diffraction) is a standard means of characterizing the structure of materials. This technique has been utilized to determine the crystallite sizes (Lc, La, etc.), in carbonaceous materials. Since the coke structure is more ordered than the char structure, it would be possible to quantify the proportion of these materials in the off-gas BF samples by chemical analysis in combination with XRD. The aim of this work is to identify and quantify carbonaceous components (coal, char and coke fines) in the flue dust BF samples through the use of the XRD technique and ultimate analysis. Besides, the effect of temperature on coke graphitization will be studied aiming to identify the possible origin of coke fines in the BF dust. Four dusts collected in the off-gas BF, two at all coke and two at PCI operations, were selected for this investigation. The dusts were fractioned and chemically analyzed. After the fractions were grounded, demineralized and analyzed by ultimate analysis and XRD. Besides, were investigated the atomic structure of raw coals and its laboratory char, and raw coke and its laboratory heattreated samples. This study has shown that the XRD technique could be used as a standard procedure to identify the char and coke structures and could be used to quantify the fines proportions of these carbonaceous materials in the BF flue dust. It was concluded that the bigger the annealing temperature the more ordered becomes the atomic coke structure.

A bacia hidrográfica do Rio Mãe Luzia está localizada dentro da bacia carbonífera catarinense, no sul do estado de Santa Catarina, em uma região muito impactada em termos ambientais, principalmente pela geração de Drenagem Ácida de Mina (DAM), o principal aspecto ambiental a ser considerado para o gerenciamento de recursos hídricos subterrâneos e superficiais. A indústria carbonífera, com a explotação do carvão mineral há mais de um século, contribuiu muito para a degradação da qualidade das águas superficiais da região. Ao contrário da poluição das águas superficiais, a poluição das águas subterrâneas é de difícil detecção, de difícil controle e ainda pode persistir por anos, décadas e até mesmo séculos. Nesse sentido, justifica-se a realização de estudos visando à proteção dos recursos hídricos subterrâneos e evitar a sua deterioração. O presente estudo tem como objetivo mapear a vulnerabilidade natural à contaminação dos aqüíferos e realizar a avaliação de risco de contaminação das águas subterrâneas nas áreas degradadas pela extração de carvão. Para o estudo da vulnerabilidade utilizou-se a metodologia GOD que consiste na combinação de três parâmetros físicos: o tipo de ocorrência do aqüífero, descrição da zona não saturada e profundidade do nível freático. Para a avaliação de risco, foram combinados mapas de vulnerabilidade e da cobertura do solo atual das áreas impactadas pela atividade carbonífera, que nos fornece a informação onde o rejeito e o estéril foram isolados cessando a oxidação da pirita, evitando a geração da DAM. O Mapa de Vulnerabilidade evidenciou as áreas mais suscetíveis para contaminação (localizadas ao norte da bacia, em uma região não degradada pela extração de carvão), enquanto que o Mapa de Risco mostrou regiões onde podem ser priorizados os trabalhos de pesquisa e recuperação das áreas degradadas devido ao risco elevado associado a estas áreas. / The Mãe Luzia river watershed is located inside the Santa Catarina coal basin in the southern of Santa Catarina state, a region very environmentally impacted mostly by the generation of Acid Mine Drainage (AMD), the main environmental aspects to be considered for the management of groundwater and surface water. The coal industry, with the exploitation of coal for more than a century, contributed much to the degradation of the quality of surface waters in the region. Unlike the surface water pollution, pollution of groundwater is difficult to detect, difficult to control and still may persist for years, decades and even centuries. In this sense, it justifies studies aimed the protection of groundwater resources and prevent deterioration. The present study aims to map the natural vulnerability of aquifers to contamination and perform a risk assessment of groundwater contamination in areas degraded by coal mining. The vulnerability was studied using the GOD methodology, which is the combination of three physical parameters: Groundwater occurrence, Overall litology of aquiperm or aquitard and Depth to groundwater table. For risk assessment were combined the vulnerability map and the current soil cover in the areas impacted by the coal industry, which give us the information where the waste/tailing were isolated, ceasing the oxidation of pyrite, avoiding AMD generation. The Vulnerability Map showed the area most susceptible to contamination (located north of the watershed, in a region not degraded by coal mining), while the Risk Map shows areas where works of search and recovery of degraded areas can be prioritized due to the high risk associated with these regions.

O solo é um compartimento ambiental altamente complexo e, em razão do crescimento populacional acelerado e da intensa atividade industrial e agrícola, tem sofrido com a contaminação de substâncias de origens diversas. Entre as principais atividades que contribuem para a perturbação da qualidade dos solos estão as atividades de geração de energia pela queima de combustíveis fósseis, como o carvão mineral. Dentre as substâncias presentes nos rejeitos do carvão queimado em usinas termelétricas estão compostos orgânicos e metais pesados que interagem com o material genético, produzindo mutações e acarretando prejuízos em nível de organismo (como as neoplasias), mas também em níveis maiores de organização biológica (como a perda de diversidade genética em populações). Estudos de avaliação do potencial mutagênico em amostras de solo são escassos, principalmente investigando a ação de mutágenos de origem inorgânica. Além disso, estudos de mutagênese em solos sob a influência de rejeitos de carvão têm sido pouco abordados na literatura. Desta forma, os objetivos deste trabalho foram: (i) testar um protocolo para avaliação de atividade mutagênica em extratos inorgânicos e orgânicos de solo; (ii) avaliar a presença e o perfil dos compostos mutagênicos em solos sob a influência de cinzas de carvão e (iii) investigar as rotas ambientais para dispersão dos compostos mutagênicos na área de estudo. Para atingir estes objetivos, processos de extração de compostos orgânicos e inorgânicos de solo foram testados quanto a sua eficiência em extrair da amostra compostos potencialmente mutagênicos frente a linhagem de Salmonella typhimurium que detecta erro no quadro de leitura (TA98). Os protocolos mais eficientes foram utilizados para os testes com diferentes amostras de solo sob a influência de rejeitos de carvão utilizando diversas linhagens, na ausência e presença de ativação metabólica (fração S9 mix). Os resultados de mutagênese associados aos resultados da caracterização química de compostos orgânicos e metais indicaram que os contaminantes presentes nas cinzas de carvão podem se dispersar com facilidade para áreas adjacentes. Essa abordagem de estudo permitiu relacionar a presença de determinadas classes de compostos com diferentes danos no DNA e inferir distintas rotas ambientais de dispersão para esses compostos. A realização deste trabalho ressalta a importância de estudos em matrizes ambientais complexas, em especial solos contaminados, que buscam integrar os dados de mutagênese e utilizá-los sob uma perspectiva ecológica. / Soil is a highly complex environmental compartment that has suffered contamination by substances from multiple sources mainly due to fast population growth and intense industrial and agricultural activity. Among the main activities that affect soil quality are power generation activities that use fossil fuels, such as mineral coal. Among the several compounds present in coal ashes that are employed in coal-fired power plants are substances that interact with the genetic material, causing mutations and/or damage at the individual level (like neoplasias) but also at higher levels of biological organization (like loss of genetic diversity in populations). There are few studies on the mutagenic potential of soil samples, especially those that investigate the action of mutagens from inorganic sources. Moreover, studies of mutagenesis in soils under the influence of coal-fired power plants have rarely been reported in literature. Thus, this work aimed at: (i) testing a protocol for the evaluation of mutagenic activity in inorganic and organic extracts from soil samples; (ii) evaluating the presence and the profile of mutagenic compounds in soils under the influence of coal ashes and (iii) investigating environmental routes of dispersion of mutagenic compounds in the study area. In order to achieve these aims, extraction processes for inorganic and organic compounds were tested concerning their efficiency to extract compounds potentially mutagenic to the specific Salmonella typhimurium strain that detects frameshift mutagens (TA98). The most efficient protocols were further utilized for the tests with different soil samples under the influence of coal-fired power plant using several strains, in absence and presence of metabolic activation (S9 mix fraction). Mutagenesis results associated with the chemical characterization of the organic compounds and metals indicated that contaminants present in coal ashes can be easily dispersed to adjacent areas. This approach allowed relating the presence of certain classes of compounds to specific damages in DNA and inferring distinct dispersion routes for these compounds. This work highlights the importance of studies concerning complex environmental matrices, specially contaminated soils, which seek the integration of mutagenesis data and their use from an ecological perspective.

O objetivo desse estudo é caracterizar química e petrograficamente as camadas de carvão da jazida Santa Terezinha (Formação Rio Bonito, Bacia do Paraná) e sua relação com o gás natural associado com as camadas de carvão (CBM) determinado no poço CBM 001-ST-RS. Para tanto, primeiramente realizou-se uma sondagem-teste para coleta de testemunhos e em seguida fez-se medidas de desorção do gás natural associado com as camadas de carvão para determinar o conteúdo de gás total. Além disso, foram feitas análises petrográficas (análise de macerais e reflectância da vitrinita) e análises químicas (análise imediata, teor de enxofre, poder calorífico, difração de raio-X, fluorescência de raio-X) no carvão além de testes de adsorção (para CH4 e CO2) e análise de isótopos (C e H) e composição do gás. As análises petrográficas mostram um rank de betuminoso alto volátil C até semi-antracita enquanto que entre os grupos de macerais houve o predomínio da vitrinita e inertinita. Quanto à análise imediata, as amostram mostram um enriquecimento nas cinzas (34,43 até 92,7% em peso), já o poder calorífico varia de 170 a 6265Kcal/Kg e o teor de enxofre apresenta uma grande variação entre 0,12% e 7,68% em peso. A matéria mineral, determinada pela difração de raio-X, consiste principalmente de quartzo, caolinita e mica. Os elementos maiores os quais apresentaram maiores valores são SiO2, Al2O3 e Fe2O3, já os elementos-traço Cr, Sr e Ba mostram maiores concentrações no carvão. As medidas de desorção do gás natural mostram uma variação de 0,32 até 2,18cm³/g. Os valores de adsorção para CH4 variam de 0,12 a 0,22 mmol/g ( valor langmuir de 0,15- 0,27 mmol/g) enquanto que a capacidade de adsorção de CO2 varia de 0,39 a 0,81 mmol/g (valor langmuir de 0,45- 1,21 mmol/g). Os valores de isótopos estáveis de Carbono variam de -50,85 até -55,54‰ enquanto que os isótopos do Hidrogênio variam de -197,00 até -203,55 ‰, indicando assim origem na mistura de gases biogênico e termogênico. A composição do gás associado com as camadas de carvão (CBM) constitui-se quase que inteiramente de metano, com um range de 94,26 até 99,47%, com menores contribuições de hidrocarbonetos C2 e C3 e gases nãohidrocarbonetos (CO2 e N2). / The aim of this study is to characterize the chemical and petrographical properties of the coal seams from the Santa Terezinha Coalfield (Rio Bonito Formation, Paraná Basin) and their relationship with the natural gas determined for the coal seams (CBM) in exploration well CBM 001-ST-RS. For this, an exploration well was carried out to collect coal samples followed by desorption measurements made of the natural gas associated with the coal seams to determine the total content of gas. Also conducted, were petrographical analyses (maceral analysis and vitrinite reflectance) and chemical analyses (proximate analysis, sulfur content, calorific value, X-ray diffraction, X-ray fluorescence) of the coal, in addition to tests of adsorption (for CH4 and CO2), and analyses of isotopic (C and H) and gas composition. The petrographic analyses show a coal rank of high volatile C bituminous to semi-anthracite, whereas among the maceral groups, vitrinite and inertinite are predominant. As for proximate analysis, the samples show ash enrichment (34.43% to 92.7% in weight), calorific values range from 170 to 6265Kcal/Kg and sulfur content show a wide variation between 0.12% and 7.68 % by weight. The mineral matter, determined by X-ray diffraction, consists mainly of quartz, kaolinite and mica. The major elements with the highest values are SiO2, Al2O3 and FeO3, whereas trace elements such as Cr, Sr and Ba show the highest concentrations in the coal. Gas desorption measurements show a variation from 0.32 to 2.18 cm³ / g of coal. The values of adsorption for CH 4 range from 0.12 to 0.22 mmol / g (langmuir 0,15- 0,27 mmol/g), whereas the capacity of adsorption of CO2 varies from 0.39 to 0.81 mmol / g (langmuir 0,45- 1,21 mmol/g). Values of stable carbon isotopes range from -50.85 to -55.54 ‰, whereas the hydrogen isotopes range from -197.00 to 203.55 ‰, thus indicating the gas origin a mixture of biogenic and thermogenic. The gas associated with the coal seams (CBM) is made up almost entirely of methane, with a range of 94.26% to 99.47%, with smaller contributions from C2 and C3 hydrocarbons and nonhydrocarbon gases (CO2 and N2).

Depósitos de rejeitos de carvão proporcionam uma série de problemas ambientais, pois ocupam uma grande área física, modificam o relevo, a paisagem e geram a drenagem ácida de minas (DAM). Assim, o objetivo do presente trabalho foi realizar a caracterização do material em um depósito de rejeitos da Carbonífera Criciúma S/A, de forma a avaliar a possibilidade de separação de três frações para futura reutilização: (a) uma fração de densidade baixa, rica em carvão para uso energético; (b) uma fração de densidade intermediária, com predomínio de materiais inertes; (c) uma fração de densidade alta, para uso comercial da pirita. A metodologia do trabalho consistiu na coleta de amostras e caracterização do material. A caracterização incluiu a análise granulométrica, estudos de afunda-flutua em meios densos e análises do material em termos de teor de cinzas e enxofre total. Os resultados demonstraram que 68% do material apresentam granulometria grosseira (entre 50,8 mm e 2,0 mm), 15% granulometria fina (entre 2,0 e 0,1 mm) e que 17% correspondem ao lodo proveniente das bacias de decantação. Os estudos indicam que é possível, por beneficiamento gravimétrico, recuperar 37% do material para fins energéticos, com um teor de 67,0% de cinzas e 2,9% de enxofre total. Ainda, 10% do material poderá ser recuperados para obtenção de um concentrado rico em pirita. O material remanescente, com densidade intermediária, poderá ser disposto com um menor potencial de geração de acidez. / Coal tailing deposits can be a source of various environmental problems. It demands large physical area, change the topography and generate the acid mine drainage (AMD). The aim of this work was to characterize the coal tailing deposit of Carbonífera Criciúma S/A, seeking the separation of three fractions for future reuse: (a) a fraction of low density for energy production in thermoelectric plants, (b) a fraction of intermediate density, with predominance of inert minerals, and (c) a fraction of high density, for commercial use of pyrite. The work methodology consisted in sample collection and characterization of the material. The characterization included particle size analysis, densimetric studies and material analyses in terms of ash and total sulfur. The results showed that 68% of the material is composed by coarse particles (between 50.8 mm and 2.0 mm), and 15% of fine particles (between 2.0 and 0.1 mm) and 17% sludge from settling ponds. It is possible, by gravimetric concentration, to recover 34.2% of the material for energetic application, with 67.0% ash and 2.9% sulfur. Still, 10.0% of the material can be recovered as a pyrite rich concentrate. The remaining material, with intermediate density, can be discarded with a lower acid generation potential.

Atualmente a decrescente disponibilidade de carvões de excelente qualidade e seus preços elevados levam as coquerias a utilizarem carvões mais baratos e consequentemente com propriedades inferiores. Ao mesmo tempo, ocorre à necessidade de se manter as elevadas especificações de qualidade exigidas para o coque pelos altos-fornos. Nesse contexto, independente da escolha dos carvões a serem utilizados, o controle granulométrico dos carvões e misturas, realizado durante a britagem, pode manter ou até melhorar a qualidade do coque a ser produzido. O presente estudo teve como objetivo geral avaliar de que forma as propriedades dos carvões variam em relação a suas principais frações granulométricas após a cominuição, e estudar qual o efeito de diferentes distribuições de tamanhos de partículas sobre as propriedades de coques produzidos em escala de laboratório. Para isso, dois carvões coqueificáveis individuais e uma mistura foram amostrados, separados em frações granulométricas e caracterizados. Após a caracterização das matérias-primas, foram confeccionados coques em escala de laboratório, a partir de diferentes misturas de granulometrias para os carvões individuais amostrados. A caracterização dos coques foi realizada segundo análise imediata, textura, reatividade ao CO2 em termobalança, resistência a frio em tambor tipo I e microresistência. Os resultados obtidos da caracterização das matérias-primas mostraram que a cominuição dos carvões leva a concentrações de cinzas, matéria volátil e composição maceral em diferentes frações granulométricas produzindo alterações nas propriedades coqueificantes das frações granulométricas. O resultado da caracterização dos coques mostrou que cada carvão apresenta uma distribuição de tamanhos de partículas mais adequada, que irá gerar um coque de boa qualidade. Em termos de reatividade ao CO2, uma grande quantidade de partículas finas nas misturas levou a um aumento da reatividade dos coques produzidos. Além disso, a resistência mecânica foi mínima para as misturas grosseiras, enquanto uma mistura mais fina tendeu a produzir coques de resistência mecânica superior. / Nowadays, the decreasing availability of excellent quality coals and their high prices lead cokemakers to use cheaper coals, consequently with inferior properties. At the same time, there is the need to maintain the high coke quality specifications required for the blast furnace. In this context, independent of the choice of coal to be used, the particle size control of coals and blends, created during crushing, can maintain or even improve the quality of coke to be produced. The present study had as main objective to assess how the properties of coals vary in relation to its particle size fractions after crushing, and study what effect different particle size distributions can cause on the properties of coke produced in laboratory scale. Thus, two individual coking coals and a blend were sampled, separated into particle size fractions and characterized. After the characterization of raw materials, cokes were made on a laboratory scale, from blends of different particle sizes for an individual coals. The characterizations of cokes were done by proximate analysis, texture, thermobalance CO2 reactivity, cold strength in a CSR drum, and microstrength. The results of the characterization of raw materials showed that the comminution of coal leads to concentrations of ash, volatile matter and macerals on different size fractions, causing changes in coking properties of size fractions. The results of the characterization of the cokes showed that each coal used has a more suitable particle size distribution which will generate a good quality coke. In terms of CO2 reactivity, a large amount of small particles in the blend led to an increase of coke reactivity. Furthermore, the mechanical strength of cokes was sharply affected by coarse particle, while a blend with high fine proportion produced a coke with high mechanical strength.

O processo de injeção pelas ventaneiras dos altos-fornos (Pulverized Coal Injection - PCI) é uma das tecnologias mais promissoras para a incorporação de biomassas termicamente tratadas na siderurgia e um dos meios de alcançar uma redução consistente nas emissões de CO2 no setor. O objetivo deste trabalho foi avaliar a combustibilidade e reatividade ao CO2 de biomassas de madeira e caroço de azeitona tratadas em laboratório desde temperaturas de torrefação (250°C) até de carbonização (450°C) e comparar com carvões típicos utilizados em PCI, correlacionando com as características ocorridas devido aos tratamentos térmicos. Além da caracterização química, as transformações devido aos tratamentos térmicos das biomassas foram avaliadas via testes de combustão em termobalança, técnicas de microscopia ótica e eletrônica, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e técnicas de adsorção para análise da porosidade. Testes de combustibilidade foram conduzidos em um forno de queda livre (Drop Tube Furnace - DTF) em atmosferas convencional (O2/N2) e de oxi-combustão (O2/CO2) e os chars resultantes destes testes foram caracterizados quanto à estrutura e à reatividade ao CO2 em termobalança. Além disso, foram feitos testes de reatividade ao CO2 de misturas de eucalipto termicamente tratado e carvões em termobalança. A torrefação manteve o alto teor de voláteis das biomassas, enquanto que as biomassas carbonizadas apresentaram teores de carbono e poder calorífico semelhantes aos dos carvões de mais alto rank, com as vantagens típicas de biomassas de manterem um baixo teor de cinzas e enxofre. No entanto, o elevado teor de álcalis e fósforo nas cinzas pode ser um fator limitante na composição de misturas para PCI. O tratamento térmico das biomassas levou a gradual decomposição dos componentes da madeira com uma progressiva homogeneização da estrutura celular, associada a um aumento de aromaticidade e porosidade. De uma maneira geral, quanto menor foi a temperatura de tratamento térmico das biomassas, maior foi o burnout obtido no DTF. Comparada à atmosfera convencional (O2/N2), a atmosfera de oxicombustão (O2/CO2) levou a maiores burnouts para os chars de todas as biomassas e carvões. As biomassas carbonizadas apresentaram burnouts mais elevados que o carvão de mais baixo rank e o caroço de azeitona carbonizado apresentou baixa conversão, equivalente a um carvão de alto rank. Os chars das biomassas torrefeitas apresentaram estruturas cenosféricas isotrópicas de elevada porosidade nas paredes enquanto que os chars das carbonizadas preservaram a morfologia apresentada nas amostras originais. Os chars das biomassas foram altamente porosos, com áreas superficiais de meso e microporos em média 15 e 5 vezes maior que os chars dos carvões, respectivamente. Com relação aos testes de reatividade ao CO2 em termobalança, em geral, a reatividade dos chars das biomassas torrefeitas foi maior do que a reatividade dos chars das biomassas carbonizadas e estes foram pelo menos 10 vezes mais reativos ao CO2 do que o chars do carvão de mais baixo rank. Além das maiores áreas superficiais, principalmente o ordenamento da estrutura carbonosa e a morfologia foram fundamentais nas diferenças de reatividade ao CO2 entre os chars das biomassas e dos carvões. As misturas do carvão de mais baixo rank com a biomassa carbonizada apresentaram os melhores resultados em termos de aditividade na reatividade ao CO2. / Pulverized Coal Injection (PCI) in the blast furnace tuyeres is a promising technology for incorporation of thermally-treated biomasses and it is a way to reduce CO2 emissions in ironmaking processes. The aim of this work was to evaluate combustibility and CO2 reactivity of laboratory torrefied (250°C) and carbonized (450°) olive stone and woody biomasses, comparing with typical PCI coals. The transformations produced in biomasses due to torrefaction and carbonization were evaluated by chemical analyses, combustion tests in thermobalance, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and optical and electron microscopy and adsorption techniques. Combustion experiments were carried out in a Drop Tube Furnace (DTF) under conventional (O2/N2) and oxy-fuel (O2/CO2) atmospheres and the chars collected were characterized by its structure and CO2 reactivity in thermobalance. Reactivity tests were also conducted in thermobalance with blends of thermally-treated eucalyptus and coals. Torrefied samples maintained high contents of volatile matter, typical of raw biomasses, while carbonized biomasses showed carbon contents and high heating values similar to that of high rank coals, retaining low ash and sulfur contents. However, its high alkali and phosphorus contents could be a limiting factor to the use in blends for PCI. The thermal treatments of biomasses lead to a gradual decomposition of wood components and to a progressive homogenization of cell structure, associated to an increase in aromaticity and porosity. In general, the lower the thermal treatment temperature, the higher was the burnout in the DTF. Compared to conventional atmosphere, oxy-fuel combustion led to the highest burnouts for all biomass chars. The carbonized biomasses showed higher burnouts than the high-volatile coal and olive stone showed burnouts similar to a low-volatile coal. The chars from the torrefied biomasses showed isotropic cenospheric structures with high porosity within the walls and the chars from the carbonized biomasses preserved the morphology seen in original carbonized samples. The biomass chars presented highly porosity, with micro and mesoporosity in average, 5 and 15 times greater than the coal chars, respectively. In relation to the CO2 reactivity tests, in general, the torrefied biomass chars were more reactive than the carbonized biomass chars. However, due to its higher surface areas, structure arrangement and morphology, the carbonized biomass chars were at least 10 times more reactive than the high-volatile coal chars. The blends of high-volatile coal and carbonized eucalyptus showed good additivity in the CO2 reactivity tests in thermobalance.

Um novo laboratório experimental desenvolvido para investigar a combustão de carvão em atmosferas de oxicombustão é descrito em detalhes na tese. Um reator ciclônico é utilizado para a combustão de carvões de baixo rank em condições de escoamento turbulento e com swirl, e operando em temperaturas similares às encontradas em câmaras de combustão industriais. Um sensor potenciométrico de oxigênio, instalado dentro do reator ciclônico, é utilizado para medir o consumo de oxigênio durante a combustão das amostras de carvão. Amostras de carvão com alto teor de cinzas, das minas do Leão e Bonito localizadas no sul do Brasil, e amostras de carvão linhito pré-seco (LTBK), da região da Lusácia, na Alemanha, foram submetidos à combustão em atmosferas de ar e de oxicombustão (O2/CO2/H2O). Os experimentos foram realizados em três temperaturas médias do gás de combustão: 1073, 1173 e 1273 K. Para as amostras do carvão LTBK, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 sem vapor d’água (21/79 e 30/70) e três atmosferas de O2/CO2/H2O (30/60/10, 30/50/20 e 30/40/30) em base molar, enquanto para as amostras dos carvões Leão e Bonito, a oxicombustão foi composta com duas atmosferas de O2/CO2 (21/79 e 30/70). As amostras de carvão foram peneiradas para uma faixa de tamanho de partículas de 1250 a 2000 μm e 125 a 500 μm, e com massas de 1g e 3g. Em adição aos testes, amostras de char dos carvões Leão e LTBK foram preparadas para investigar o comportamento da combustão de suas matrizes carbonosas com diferentes níveis de matéria volátil. Primeiramente, a investigação da combustão do carvão é feita diretamente a partir das curvas de concentração de oxigênio medidas para a combustão das amostras de carvão LTBK submetidos às atmosferas de ar e oxicombustão com vapor d’água, conforme explicado no Capítulo 2 desta tese. Entretanto, devido ao grande número de experimentos realizados e a necessidade de entender a influência dos fatores, como temperatura e as composições das atmosferas oxidantes, e as interações entre esses fatores na combustão do carvão, a análise pela metodologia do Projeto de Experimentos (DoE) é aplicada nos experimentos, conforme detalhado no Capítulo 3. A reatividade dos carvões de baixo rank é investigada por meio do cálculo dos parâmetros cinéticos globais e dos coeficientes da taxa de reação de combustão do char, considerando a hipótese de um reator bem misturado, a ser verificada ao longo da investigação, conforme descrito no Capítulo 4. A partir da análise das curvas de concentração de oxigênio (Capítulos 2 e 3), os resultados mostram que a atmosfera de oxicombustão com 79% de CO2 (21/79, O2/CO2) aumenta o consumo de oxigênio para os carvões de alto teor de cinzas, Bonito e Leão, e para o carvão linhito com alto teor de voláteis (LTBK), devido à influência da reação de gaseificação do CO2 a partir de temperaturas acima de 1073 K. A partir da análise dos parâmetros cinéticos globais calculados para avaliar a reatividade dos carvões, os resultados mostram que a hipótese do reator bem misturado não é o suficiente para capturar a cinética da combustão do carvão por batelada no interior do reator ciclônico. A reatividade dos carvões investigados, através das constantes efetivas da taxa de reação, variando-se a composição da atmosfera oxidante, temperatura do gás de combustão, tamanho de partículas, massa da amostra e posição do sensor de oxigênio, têm influência do escoamento com swirl e seus termos advectivos e difusivos. / A novel laboratory facility designed to investigate coal oxy-fuel combustion is described in the present work. A cyclone chamber allows for the combustion of low-rank coal under turbulent conditions and swirling flows, covering a temperature range similar to those found on practical furnaces. A potentiometric oxygen sensor with oxide-ion conducting solid electrolytes, as stabilized zirconia, installed within the cyclone reactor, is used to measure the oxygen consumption during the combustion of coal samples. High ash coals samples, from Leão and Bonito mining sites located in South Brazil, and pre-dried lignite coal samples (LTBK), from the Lusatian region, in Germany, were burned under air and oxy-fuel (O2/CO2/H2O) atmospheres. Experiments were carried out at three average gas combustion temperatures: 1073, 1173 and 1273 K. For LTBK coal, oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70) and three O2/CO2/H2O atmospheres (30/60/10, 30/50/20 and 30/40/30) in molar basis, whereas for Leão and Bonito coals, the oxy-fuel combustion was composed with two O2/CO2 atmospheres (21/79 and 30/70). Coal samples were sieved to a size range of 1250 to 2000 μm and 125 to 500 μm and with 1g and 3g. In addition, char samples from Leão and lignite coals were prepared in order to investigate the combustion behavior of its carbon matrix for different levels of volatile matter. The investigation of coal combustion behavior is made firstly directly on the oxygen concentration curves measured for LTBK coal samples burned under air and oxy-fuel atmospheres with water vapor, as detailed in Chapter 2 of this thesis. However, due to the great number of experiments performed and the need to understand the influence of the factors, as temperature and atmosphere compositions, and the interactions between them on the coal combustion, the Design of Experiments (DoE) analysis is applied in the laboratory test facility, as developed in Chapter 3. The reactivity of low rank coals is assessed by means of global kinetic parameters and of char combustion reaction coefficients, under assumption of a well stirred reactor to be tested along the investigation, as described in Chapter 4. From the analysis of oxygen concentration curves (Chapter 2 and 3), results show that oxidizer oxy-fuel atmosphere with 79% CO2 (21/79, O2/CO2) increases the oxygen consumption for high ash coals, Bonito and Leão, and for pre-dried lignite coal, LTBK, due to the influence of CO2 gasification reaction on their coal combustion reactions from gas combustion temperatures higher than 1073 K. From the analysis of global kinetic parameters calculated to assess the coal reactivity, the results show that the hypothesis of a well stirred reactor is not enough to capture the kinetic involved in coal combustion burned in batch mode within the cyclone reactor. The coal reactivity investigated with the effective reaction rate constants for different oxidizer atmospheres, gas combustion temperatures, particle diameters, sample masses and oxygen sensor position, is influenced by the swirling flow with its advective and diffusive terms.