Caracterização petrológica, geoquímica e maturação artificial de carvão da Mina São Vicente Norte, Jazida Leão-Butiá, Formação Rio Bonito, Bacia Do Paraná, RS.

Abstract

A combustão de carvão para produzir vapor e gerar eletricidade representa o principal uso do carvão no mundo. No Brasil a mais importante sucessão sedimentar portadora de carvão ocorre na região sudeste da Bacia do Paraná, Formação Rio Bonito do período Permiano, localizada nos Estados do Rio Grande do Sul e Santa Catarina. No Estado do Rio Grande do Sul a maior área de explotação de carvão está localizada na Jazida Leão-Butiá, contendo uma reserva medida em 6 milhões de toneladas de carvão, explorável a céu aberto pela estatal CRM. O objetivo do trabalho é o conhecimento da variabilidade físico-química entre as camadas de carvão que constituem a sequência sedimentar da Mina São Vicente Norte (Jazida Leão-Butiá) e determinar as mudanças na composição química e nos parâmetros petrográficos, através da maturação artificial da matéria orgânica contida na camada de carvão S2/S3, em experimentos de hidropirólise a 350°C nos tempos 0h, 20h e 50h. Foram amostradas seis camadas de carvão e suas subdivisões: camada S1 (S1-A, S1-B e S1-C), camada S2/S3, camada CI, camada I2 (I2-3, I2-2 e I2-1) e camada I3 (I3-A e I3-B). Para o andamento do trabalho, realizaram-se análises petrográficas e químicas. Os resultados petrográficos obtidos indicaram valores médios de 0,39 a 0,48% Rrandom, sugerindo um rank de sub-betuminoso C para a camada S1 e sub-betuminoso B para as demais camadas. A análise de macerais mostra uma composição com predomínio de vitrinita. Na análise imediata, as amostras apresentaram um range de 38,7 a 58,6% em massa de cinza. O teor de umidade variou 5,7 a 10,7%. A matéria volátil apresentou resultados que permeiam entre 16,8 a 21,2%. O poder calorífico, recalculado em base seca e livre de cinzas, tem um range de 6253 a 7102 cal/g. A matéria mineral, determinada pela difração de raios X, consiste principalmente de quartzo, caolinita e calcita. Na fluorescência de raios X, os elementos que apresentaram maiores valores em média são silício, alumínio e ferro. O baixo teor relativo de cinzas (38,7%) definiu a utilização da amostra da camada (S2/S3) para os ensaios de hidropirólise incluindo a determinação de carbono orgânico total e pirólise Rock Eval. A matéria orgânica contida no carvão é classificada como querogênio tipo III. Com o aumento do tempo nos ensaios de hidropirólise, os rendimentos do betume e óleo expulso aumentaram, encontrando-se o máximo rendimento do óleo expulso em 20h. A reflectância da vitrinita da amostra de carvão residual indica a transformação do material orgânico, onde a amostra original encontra-se imaturo, e com aumento do tempo na hidropirólise, entra no estágio maturo. Observa-se o enriquecimento relativo do óleo expulso e o betume nas frações saturadas e aromáticas com o aumento do tempo nos experimentos, determinada pela cromatografia líquida. Essas diferenças são atribuídas ao processo de migração primária, onde a matriz do carvão tem preferência pela retenção de moléculas mais pesadas.

The combustion of coal to produce steam and generate electricity is the main use of coal in the world. In Brazil, the most important coal bearing sedimentary succession occurs in the Permian Rio Bonito Formation, Paraná Basin, located in the states of Rio Grande do Sul and Santa Catarina. In the state of Rio Grande do Sul, a major coal mining area is located in Leão-Butiá Coalfield, containing a reservation as 6 million tons of coal, exploitable the open state by CRM. The objective of this study to determine the physic-chemical variability between the coal seams that constitute the São Vicente Norte Mine, Leão-Butiá Coalfield and to determine changes in chemical composition and petrographic parameters by artificial maturation of the organic matter contained in the seam S2/S3 using hydrous pyrolysis experiments at 350 °C with experiment times ranging from 0 – 50 hours. Six coal seams and were collected from the open pit mine: seam S1 (S1-A, S1-B and S1-C), seam S2/S3, seam SI, seam I2 (I2-3, I2-2 and I2-1) and seam I3 (I3-A and I3-B), followed by petrographic and chemical analyzes. Results from petrographic analyses indicated vitrinite reflectance ranging from 0.39 to 0.48% Rrandom, suggesting a rank of sub-bituminous C for the S1 seam and sub-bituminous B for the other seams. Maceral analysis showed a petrographic composition dominated by vitrinite. As for immediate analysis, the samples showed ash yields ranging from 38.7 to 58.6 wt. %. The moisture content ranged from 5.7 to 10.7%. The volatile matter contents ranged from 16.8 to 21.2%. The calorific value, recalculated on a dry ash free basis, has a range from 6253 to 7102 cal/g. The mineral matter, determined by X-ray diffraction, consists mainly of quartz, kaolinite and calcite. In X-ray fluorescence, the elements that had higher values are silicium, aluminum and iron. The sample selected for hydrous pyrolysis experiments was the S2/S3 seam based on its relatively low ash yield (38.7 wt. %). This seam was also analyzed for total organic carbon content and for parameters obtained from Rock Eval Pyrolysis. Based on Rock Eval pyrolysis results and petrographic analysis the organic matter contained in coal S2/S3 is classified as Type III kerogen. With increasing time of the hydrous pyrolysis experiments, bitumen content and expelled oil volume increased, with the maximum oil yield expelled at 20h experiment time. The reflectance of the vitrinita in the residual coal samples indicated the transformation of the organic material, where the original sample is immature, whereas with increasing time of hydrous pyrolysis experiments, the organic matter enters the mature stage. With increasing time in the experiments a relative enrichment in saturated and aromatic fractions was observed in the expelled oil and bitumen, as determined by liquid chromatography. These differences are attributed to the primary migration process, where heavier molecules are preferably fixed in the coal matrix.