Projeto conceitual e avaliação técnico econômica de uma planta para produção de sulfato de amônio a partir do rejeito piritoso

Abstract

O Estado de Santa Catarina é o maior produtor de carvão mineral do Brasil. Contudo, o carvão extraído na Bacia Carbonífera, desde 1930, caracteriza-se por possuir um elevado teor de cinzas e enxofre. Dessa forma, para seu aproveitamento termoelétrico, é necessária uma etapa anterior de beneficiamento, responsável pela geração de uma quantidade significativa de rejeitos. De cada tonelada de carvão mineral extraído, cerca de 60% são descartados durante este processo. Tais resíduos, quando manuseados de forma inadequada, podem permitir a formação da drenagem ácida de mina (DAM), com alto potencial poluidor local. Diante da necessidade latente de fertilizantes do mercado nacional, propôs-se o projeto conceitual de uma planta para produção de sulfato de amônio (SAM), utilizando como matéria-prima o rejeito piritoso e amônia. Realizou-se o diagrama de blocos do processo, o fluxograma de processos e o balanço de massa da rota produtiva. O rejeito piritoso é submetido a um processo de queima em uma fornalha de leito fluidizado a uma temperatura de aproximadamente 850ºC. Posteriormente, os fumos ácidos produzidos são resfriados em um secador atomizador e reagem com amônia, para a formação de sulfato de amônio em um sistema de absorção reativo. A intensificação de processo prevê o aproveitamento do calor dos fumos ácidos para concentração da solução de sulfato de amônio produzida. A planta proposta utiliza conceitos de autossuficiência térmica, uma vez que o poder calorífico do rejeito piritoso é baixo, além de propor uma nova rota tecnológica que está de acordo com a economia circular, reaproveitando resíduos de um processo produtivo, sem a formação de novos resíduos. A planta proposta apresentou uma capacidade de processamento de 110 mil toneladas por ano de rejeito piritoso, com produção anual de 30 mil toneladas de SAM e 95 mil toneladas de cinzas, que podem ser utilizadas como material pozolânico. Para cada quilograma de rejeito processado, houve a formação de aproximadamente 0,22 kg de sulfato de amônio e de 0,82 kg de material pozolânico. O CAPEX da planta obtido foi de aproximadamente R$ 70 milhões, e faturamento anual da planta foi de R$ 26,8 milhões, sendo que 92% do faturamento é oriundo da venda de SAM, enquanto 8% são resultado da venda de material pozolânico. Por consequência, o EBITDA anual estimado foi de R$ 8,4 milhões, correspondendo a 30%, patamar acima da média de plantas de commodities. O payback simples da planta ficou avaliado em 9,1 anos, enquanto a Taxa Interna de Retorno (TIR) de 15 anos apresentou um valor de 6,4% Tal resultado indica um potencial econômico do processo.

Abstract: The state of Santa Catarina stands as the largest producer of mineral coal in Brazil. However, the coal extracted from the Carboniferous Basin since 1930 is notable for its elevated ash and sulfur content. Consequently, a preliminary beneficiation stage is imperative for its thermoelectric utilization, resulting in the generation of a considerable volume of waste. Approximately 60% of each ton of extracted mineral coal is discarded during this process. Mishandling of such waste can lead to the formation of acid mine drainage (AMD), posing a substantial local pollution risk. In response to the pressing national demand for fertilizers, a conceptual process design has been advanced for a facility aimed at producing ammonium sulfate (AS), utilizing pyritic waste and ammonia as primary inputs. This endeavor involved the development of a process block diagram, process flow diagram, and mass balance analysis of the production pathway. The pyritic waste undergoes a combustion process within a fluidized bed furnace operating at temperatures around 850°C. Subsequent to this, the acidic fumes generated are cooled in an atomizing dryer and subjected to reaction with ammonia to yield ammonium sulfate within a reactive absorption system. Process intensification strategies include harnessing the thermal energy from the acidic fumes to concentrate the produced ammonium sulfate solution. The proposed facility incorporates principles of energy self-sufficiency, given the reduced calorific value of the pyritic waste, and advocates for a novel technological approach in line with the principles of the circular economy, by repurposing waste generated from one production process without engendering additional waste. The envisioned plant boasts a processing capacity of 110,000 tons per annum of pyritic waste, yielding 30,000 tons of AS and 95,000 tons of ash annually, suitable for employment as pozzolanic material. Each kilogram of processed waste yields approximately 0.22 kg of ammonium sulfate and 0.82 kg of pozzolanic material. The CAPEX for the proposed facility is estimated at approximately R$ 70 million, with an annual revenue projection of R$ 26.8 million. Notably, 92% of this revenue stems from AS sales, while the remaining 8% arises from the sale of pozzolanic material. Consequently, the projected annual EBITDA stands at R$ 8.4 million, representing a 30% margin, exceeding the average for commodity plants. The simple payback period for the facility is assessed at 9.1 years, while the 15-year Internal Rate of Return (IRR) is calculated at 6.4%. These figures underscore the economic viability of the proposed process.