O carvão mineral é um dos combustíveis fósseis primários mais importantes. Trata-se de um material sólido rico em carbono que é geralmente castanho ou preto e que ocorre mais frequentemente em depósitos sedimentares estratificados.
O carvão mineral é definido como tendo mais de 50% em peso (ou 70% em volume) de matéria carbonada produzida pela compactação e endurecimento de restos alterados de plantas – basicamente, depósitos de turfa. Diferentes variedades de carvão surgem devido a diferenças nos tipos de material vegetal (tipo de carvão), grau de coalificação (grau de carvão) e gama de impurezas (grau de carvão). Embora a maioria dos carvões ocorra em depósitos sedimentares estratificados, os depósitos podem mais tarde estar sujeitos a temperaturas e pressões elevadas causadas por intrusões ígneas ou deformações durante a orogênese (ou seja, processos de construção de montanhas), resultando no desenvolvimento de antracite e mesmo grafite. Embora a concentração de carbono na crosta terrestre não exceda 0,1% em peso, ela é indispensável à vida e constitui a principal fonte de energia da humanidade.
Este artigo considera as origens geológicas, estrutura e propriedades do carvão, sua utilização ao longo da história humana e sua atual distribuição mundial. Para uma discussão sobre o processo de extração do carvão, ver o artigo sobre a extração de carvão. Para um tratamento mais completo dos processos envolvidos na combustão do carvão, veja o artigo sobre a utilização do carvão.
História do uso do carvão
Nos tempos antigos
A descoberta do uso do fogo ajudou a distinguir os humanos dos outros animais. Os primeiros combustíveis eram principalmente lenha (e carvão vegetal derivado dela), palha e esterco seco. As referências aos primeiros usos do carvão são escassas. Aristóteles referiu-se a “corpos que têm mais terra do que fumo” e chamou-os de “substâncias semelhantes ao carvão”. (Deve-se notar que as referências bíblicas ao carvão são mais para o carvão vegetal do que para o carvão de rocha). O carvão era usado comercialmente pelos chineses muito antes de ser usado na Europa. Embora nenhum registro autêntico esteja disponível, o carvão da mina de Fushun no nordeste da China pode ter sido empregado para cheirar o cobre já em 1000 a.C. Diz-se que as pedras usadas como combustível foram produzidas na China durante a dinastia Han.
Na Europa
As cinzas de carvão encontradas entre as ruínas romanas na Inglaterra sugerem que os romanos estavam familiarizados com o uso do carvão mineral antes de 400 EC. A primeira prova documentada de que o carvão era extraído na Europa foi fornecida pelo monge Reinier de Liège, que escreveu (cerca de 1200) de terra preta muito semelhante ao carvão usado pelos metalúrgicos. Muitas referências à mineração de carvão na Inglaterra e na Escócia e no continente europeu começaram a aparecer nos escritos do século XIII. O carvão era, no entanto, utilizado apenas em escala limitada até ao início do século XVIII, quando Abraham Darby da Inglaterra e outros desenvolveram métodos de utilização em altos-fornos e forjas de coque feito a partir do carvão. Sucessivos desenvolvimentos metalúrgicos e de engenharia – principalmente a invenção do motor a vapor de queima de carvão por James Watt-engenderam uma demanda quase insaciável por carvão.
No Novo Mundo
Até a época da Revolução Americana, a maior parte do carvão usado nas colônias americanas vinha da Inglaterra ou da Nova Escócia. No entanto, a escassez em tempo de guerra e as necessidades dos fabricantes de munições estimularam pequenas operações americanas de mineração de carvão, como as da Virgínia, no Rio James, perto de Richmond. No início da década de 1830, empresas de mineração haviam surgido ao longo dos rios Ohio, Illinois e Mississippi e na região dos Apalaches. Como nos países europeus, a introdução da locomotiva a vapor deu um tremendo impulso à indústria carbonífera americana. A expansão contínua da atividade industrial nos Estados Unidos e na Europa promoveu ainda mais o uso do carvão.
Utilização moderna
O carvão como fonte de energia
O carvão é um recurso natural abundante que pode ser usado como fonte de energia, como uma fonte química da qual numerosos compostos sintéticos (por exemplo, corantes, óleos, ceras, produtos farmacêuticos e pesticidas) podem ser derivados, e na produção de coque para processos metalúrgicos. O carvão é uma importante fonte de energia na produção de energia elétrica utilizando a geração de vapor.
Além disso, a gaseificação e liquefação do carvão produzem combustíveis gasosos e líquidos que podem ser facilmente transportados (por exemplo, por gasoduto) e convenientemente armazenados em tanques. Após o tremendo aumento do uso do carvão no início dos anos 2000, que foi impulsionado principalmente pelo crescimento da economia da China, o uso do carvão em todo o mundo atingiu o seu auge em 2012. Desde então, o uso do carvão tem experimentado um declínio constante, compensado em grande parte pelo aumento do uso do gás natural.
As operações de mineração são perigosas. Todos os anos centenas de mineiros de carvão perdem a vida ou são gravemente feridos. Os principais perigos das minas incluem quedas de telhados, rebentamentos de rochas, incêndios e explosões. Estes últimos resultam quando gases inflamáveis (como o metano) presos no carvão são liberados durante as operações de mineração e acidentalmente são acendidos. O metano pode ser extraído de leitos de carvão antes da mineração através do processo de fraturamento hidráulico, que envolve a injeção de alta pressão de fluidos subterrâneos a fim de abrir fissuras na rocha que permitiriam a fuga de gás aprisionado ou petróleo bruto em tubulações que trariam o material para a superfície.
Esperava-se que a extração de metano levasse a minas mais seguras e fornecesse uma fonte de gás natural que há muito tempo era um resíduo. No entanto, o entusiasmo por esta tecnologia foi temperado com o conhecimento de que o fracionamento também foi associado à contaminação das águas subterrâneas. Além disso, os mineiros que trabalham abaixo do solo inalam frequentemente pó de carvão durante longos períodos de tempo, o que pode resultar em sérios problemas de saúde – por exemplo, pulmão negro.
As minas de carvão e as instalações de preparação do carvão têm causado muitos danos ambientais. Áreas superficiais expostas durante a mineração, bem como resíduos de carvão e rochas (que muitas vezes foram despejados indiscriminadamente), clima rapidamente, produzindo sedimentos abundantes e produtos químicos solúveis, tais como ácido sulfúrico e sulfatos de ferro.
Córregos próximos se entupiram com sedimentos, óxidos de ferro manchados de rochas e “drenagem ácida de minas” causaram reduções marcantes no número de plantas e animais que vivem nas proximidades. Elementos potencialmente tóxicos, lixiviados do carvão exposto e das rochas adjacentes, foram liberados no meio ambiente. Desde os anos 70, leis mais severas reduziram significativamente os danos ambientais causados pela mineração de carvão nos países desenvolvidos, apesar de danos mais graves continuarem a ocorrer em muitos países em desenvolvimento.
Perigos de utilização
O uso do carvão pode causar problemas. Durante a queima ou conversão incompleta do carvão, muitos compostos são produzidos, alguns dos quais são cancerígenos. A queima do carvão também produz enxofre e óxidos de nitrogênio, que reagem com a umidade atmosférica para produzir ácido sulfúrico e ácido nítrico – também chamado chuva ácida. Além disso, produz partículas (cinzas volantes) que podem ser transportadas pelos ventos durante muitas centenas de quilômetros e sólidos (cinzas de fundo e escória) que devem ser eliminados.
Os elementos vestigiais originalmente presentes no carvão podem escapar como voláteis (por exemplo, cloro e mercúrio) ou ser concentrados nas cinzas (por exemplo, arsênico e bário). Alguns destes poluentes podem ser aprisionados através de dispositivos como precipitadores electrostáticos, casas de saco e depuradores. Espera-se que as pesquisas atuais sobre meios alternativos de combustão (por exemplo, combustão em leito fluidizado, magnetoidrodinâmica e queimadores com baixo teor de dióxido de nitrogênio) forneçam métodos eficientes e ambientalmente atraentes para a extração de energia do carvão. Independentemente dos meios utilizados para a combustão, devem ser encontradas formas aceitáveis de eliminação dos produtos residuais.
A queima de todos os combustíveis fósseis (incluindo petróleo e gás natural) liberta grandes quantidades de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. As moléculas de CO2 permitem que os raios de menor comprimento de onda do Sol entrem na atmosfera e atinjam a superfície da Terra, mas não permitem que grande parte da radiação de onda longa irradiada da superfície escape para o espaço. O CO2 absorve essa radiação infravermelha de propagação ascendente e reemita uma parte dela para baixo, fazendo com que a atmosfera inferior permaneça mais quente do que seria de outra forma. Enquanto o efeito estufa é um processo natural, o seu aumento devido ao aumento da libertação de gases com efeito de estufa (CO2 e outros gases, como o metano e o ozono) é chamado de aquecimento global.
De acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), há evidências substanciais de que maiores concentrações de CO2 e outros gases de efeito estufa têm aumentado a temperatura média da Terra desde 1950. Este aumento é provavelmente a causa de reduções notáveis na cobertura de neve e na extensão de gelo marinho no Hemisfério Norte. Além disso, um aumento mundial do nível do mar e uma diminuição da extensão das geleiras de montanha têm sido documentados. As tecnologias consideradas para reduzir os níveis de dióxido de carbono incluem fixação biológica, recuperação criogênica, eliminação nos oceanos e aquíferos e conversão para metanol.
Tipos de carvão mineral
Os carvões podem ser classificados de várias formas. Um modo de classificação é por tipo de carvão; tais tipos têm algumas implicações genéticas porque são baseados nos materiais orgânicos presentes e nos processos de coalificação que produziram o carvão. Os esquemas de classificação de carvão mais úteis e amplamente aplicados são aqueles baseados no grau em que os carvões foram submetidos à carbonificação. Tais graus variáveis de coalificação são geralmente chamados de classificações (ou classes) de carvão. Além do valor científico dos esquemas de classificação deste tipo, a determinação da classificação tem uma série de aplicações práticas. Muitas propriedades do carvão são em parte determinadas pela classificação, incluindo a quantidade de calor produzido durante a combustão, a quantidade de produtos gasosos liberados no aquecimento e a adequação dos carvões à liquefação ou à produção de coque.
Tipos de carvões
Macerais
Os carvões contêm tanto fases orgânicas como inorgânicas. Este último consiste em minerais como o quartzo e argilas que podem ter sido trazidos pela água corrente (ou atividade do vento) ou de minerais como a pirita e o marcasite que se formaram no lugar (authigenic). Alguns formados em tecidos de plantas vivas, e outros formados mais tarde durante a formação de turfa ou a coalificação. Alguns piritas (e marcasitas) estão presentes em esferóides do tamanho de micrómetros chamados framboides (chamados pela sua forma semelhante à framboesa) que se formaram muito cedo. Os framboides são muito difíceis de remover pelos processos convencionais de limpeza do carvão.
Por analogia ao termo mineral, a botânica britânica Marie C. Stopes propôs em 1935 o termo maceral para descrever os constituintes orgânicos presentes no carvão. A palavra é derivada do latim macerare, que significa “macerar”. (Nomes minerais muitas vezes terminam em -ite. O final correspondente para os macerais é -inite). A nomenclatura maceral tem sido aplicada de forma diferente por alguns petrologistas europeus do carvão que estudaram blocos de carvão polidos usando microscopia de luz refletida (sua terminologia é baseada na morfologia, afinidade botânica e modo de ocorrência) e por alguns petrologistas norte-americanos que estudaram fatias muito finas (cortes finos) de carvão usando microscopia de luz transmitida. Vários sistemas de nomenclatura têm sido utilizados.
Três grandes grupos macerais são geralmente reconhecidos: vitrinite, liptinite (anteriormente chamada exinite) e inértinite. O grupo da vitrinite é o mais abundante, constituindo até 50 a 90 por cento de muitos carvões norte-americanos. A vitrinite é derivada principalmente das paredes celulares e dos tecidos lenhosos. Eles mostram uma ampla gama de valores de reflexão (como o carvão reflete a luz; discutido abaixo), mas em amostras individuais esses valores tendem a ser intermediários em comparação com os dos outros grupos macerais. Várias variedades são reconhecidas – por exemplo, a telinite (as partes mais brilhantes da vitrinite que compõem as paredes celulares) e a colinite (vitrinite clara que ocupa os espaços entre as paredes celulares).
O grupo liptinite constitui 5 a 15 por cento de muitos carvões. Os liptinitos são derivados de partes cerosas ou resinosas de plantas, tais como cutículas, esporos e resinas de feridas. Seus valores de reflectância são geralmente os mais baixos em uma amostra individual. Várias variedades são reconhecidas, incluindo a esporinita (esporos são tipicamente preservados como esferóides achatados), cutinita (parte de secções transversais de folhas, muitas vezes com superfícies crenuladas), e resinita (massas de resina ovóide e por vezes translúcidas). Os liptinitos podem fluorescer (isto é, luminescer devido à absorção de radiação) sob luz ultravioleta, mas com o aumento da classificação as suas propriedades ópticas aproximam-se das das vitrinites, e os dois grupos tornam-se indistinguíveis.
O grupo inertinito constitui 5 a 40 por cento da maioria dos carvões. Os seus valores de reflectância são normalmente os mais elevados numa determinada amostra. A inertinita maceral mais comum é a fusinite, que tem uma aparência semelhante à do carvão com textura celular óbvia. As células podem estar vazias ou cheias de matéria mineral, e as paredes celulares podem ter sido esmagadas durante a compactação (textura de bogen). Os inertinitos são derivados de material vegetal fortemente alterado ou degradado que se pensa ter sido produzido durante a formação da turfa; em particular, o carvão vegetal produzido por um incêndio num pântano de turfa é preservado como fusinite.
Tipos de rochas carboníferas
O carvão pode ser classificado com base no seu aspecto macroscópico (geralmente referido como tipo de rocha carbonífera, litótipo, ou kohlentype). Quatro tipos principais são reconhecidos:
Vitrain, que é caracterizado por um brilho negro brilhante e composto principalmente pelo grupo maceral vitrinite, que é derivado do tecido lenhoso de grandes plantas. Vitrain é frágil e tende a quebrar em fragmentos angulares; no entanto, camadas espessas de vitrina apresentam fraturas concomitantes (ou seja, fraturas curvadas que se assemelham ao interior de uma concha) quando quebradas. O Vitrain ocorre em bandas estreitas, por vezes marcadamente uniformes e brilhantes, com cerca de 3 a 10 mm (cerca de 0,1 a 0,4 polegadas) de espessura. O Vitrain formou-se provavelmente sob condições de superfície um pouco mais secas do que os lítiotipos clarain e durain. No enterramento, a estagnação das águas subterrâneas impediu a decomposição completa dos tecidos lenhosos das plantas.
A claraína, que tem uma aparência entre as de vitrain e durain e se caracteriza pela alternância de laminas negras brilhantes e baças (camadas finas, cada uma com menos de 1 mm de espessura). As camadas mais brilhantes são compostas principalmente pela vitrinite maceral e as camadas mais baças dos outros grupos macerais, a liptinite e a inértinite. Clarain apresenta um brilho sedoso menos brilhante do que o da vitrina. Parece ter-se originado em condições que alternavam entre aquelas em que se formava a durain e a vitrina.
Durain, que é caracterizada por uma textura granular dura e composta pelos grupos macerais liptinite e inértinite, bem como por quantidades relativamente grandes de minerais inorgânicos. A duraína ocorre em camadas com mais de 3 a 10 mm (cerca de 0,1 a 0,4 polegadas) de espessura, embora tenham sido reconhecidas camadas com mais de 10 cm (cerca de 4 polegadas) de espessura. As duraínas são geralmente de cor preta escura a cinzenta escura. Pensa-se que a durabilidade se tenha formado em depósitos de turfa abaixo do nível da água, onde apenas os componentes liptinite e inertinite resistiram à decomposição e onde os minerais inorgânicos se acumularam a partir da sedimentação.
Fusain, que é comumente encontrada em lentes sedosas e fibrosas que são apenas milímetros de espessura e centímetros de comprimento. A maior parte da fusaína é extremamente macia e esfarela-se rapidamente num pó fino, semelhante a fuligem, que sujam as mãos. A fusinite é composta principalmente de fusinite (tecido vegetal lenhoso carbonizado) e semifusinite do grupo maceral inertinite, que é rica em carbono e altamente refletora. É muito semelhante ao carvão vegetal, tanto química como fisicamente, e acredita-se que tenha sido formado em depósitos de turfa varridos pelos incêndios florestais, pela atividade fúngica que gerou calor intenso, ou pela oxidação subsuperficial do carvão.