QUALIDADE DE RESÍDUOS DA CADEIA PRODUTIVA DO ARROZ PARA GERAÇÃO DE ENERGIA

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1 XV EBRAMEM - Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira 09-11/Mai, 2016, Curitiba, PR, Brasil QUALIDADE DE RESÍDUOS DA CADEIA PRODUTIVA DO ARROZ PARA GERAÇÃO DE ENERGIA 1 Rodolfo Cardoso Jacinto (rodolfo_cj@hotmail.com), 2 Rodrigo Antunes (eng_rodrigoantunes@hotmail.com, 1 Willian Grubert (w.grubert@live.com) ), 3 Martha Andreia Brand (martha.brand@udesc.br) 1,4 Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC Eng. Florestal, PPGEF, Lages/SC - Brasil 2 Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC Eng. Industrial Madeireiro, PPGEF, Lages/SC - Brasil 3 Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC Eng. Florestal, Dr., Departamento de Engenharia Florestal, Lages/SC - Brasil RESUMO: O objetivo desta pesquisa é avaliar a qualidade dos resíduos oriundos da cadeia produtiva do arroz para geração de energia. Foram utilizados os resíduos de casca de arroz, palha de arroz e cinza de casca de arroz, coletadas na região sul do Estado de Santa Catarina, na cidade de Tubarão, onde para cada material foram determinadas as propriedades físicas de Teor de Umidade na Base Úmida (ABNT NBR 14929:2003) e densidade básica determinada pelo Método Hidrostático, propriedades químicas de determinação de lignina (ABNT NBR 7989:2010), solubilidade em álcooltolueno (ABNT NBR 14853:2010) e solubilidade em água fria e quente (ABNT NBR 14577:2003) e propriedades energéticas de poder calorífico superior (DIN 51900/2000) e análise imediata (ASTM 1762/2007), para cada analises foram feitas 3 repetições. O delineamento do experimental foi inteiramente casualizados, os dados obtidos foram submetidos a uma analise de variância e feito o teste de média de Scott-Knott a 95% de significância, utilizando o programa StatSoft. Observou-se com o estudo que o teor de umidade da cinza de casca de arroz é alto para geração de energia, necessitando de tratamento prévio. Observou-se também que a qualidade da casca e palha de arroz se demonstrou excelente insumo para a produção de energia. Palavras Chave: casca de arroz, cinza de casca de arroz, palha de arroz. RICE PRODUCTION CHAIN RESIDUE QUALITY FOR POWER GENERATION ABSTRACT: The objective of this research is to evaluate the quality of the waste from rice production chain for power generation. The rice husk residues were used, rice straw and rice husk ash, collected in the southern state of Santa Catarina, in the city of Tubarão, where for each material were determined the physical properties of Moisture Content in Wet Base (ABNT NBR 14929: 2003) and specific gravity determined by hydrostatic method, chemical properties determining lignin (NBR 7989: 2010), solubility in alcohol-toluene (ABNT NBR 14853: 2010), and solubility in cold and hot water (ABNT NBR 14577: 2003) and energetic properties of the gross calorific value (DIN 51900/2000) and immediate analysis (ASTM 1762/2007), analyzes were made for each 3 replicates. The design of the trial was entirely randomized, the data were subjected to analysis of variance and made the Scott- Knott mean test at 95% significance using the StatSoft program. We observed with the study that the rice husk ash moisture content is high for power generation, requiring pretreatment. Also noted is that the quality of the hull and rice straw was demonstrated excellent feedstock for energy production. Keywords: rice husk, rice husk ash, rice straw.

2 1. INTRODUÇÃO O aproveitamento de resíduos florestais e agrícolas vem se tornando cada vez mais atrativo, dada a característica de não contribuir para o fenômeno do aquecimento global, constituir fonte renovável de combustíveis limpos e de insumos para a indústria. Dentre estes resíduos podemos destacar os resíduos oriundos da cadeia produtiva do arroz, que possuem quantidades abundantes em épocas de safra e destinações ainda pouco estudadas. Com a escassez das matérias primas não renováveis e o volume de resíduos sólidos gerados nos processos produtivos, a alternativa mais adequada é o aproveitamento dos rejeitos industriais (MENEZES et al., 2002). A gestão de resíduos é um problema que atinge o mundo todo, tendo em vista o elevado custo do manejo, tratamento e disposição dos resíduos os governos estão tentando tratar o problema pela raiz, ou seja, reduzindo a geração de resíduos, incentivando a reciclagem e o reuso, o que resultará em menor número de resíduos e conseqüentemente em economia de custos com o gerenciamento de resíduos, e também na redução do número de aterros, já que este é o meio mais barato e comum para a disposição de resíduos (TARDIO, 2008 citado por LORENZETT, 2012). O resíduo industrial, depois de gerado, necessita de destino adequado, pois, além de criar potenciais problemas ambientais, os resíduos representam perdas de matérias primas e energia, exigindo investimentos significativos em tratamentos para controlar a poluição. A indústria de alimentos produz vários resíduos de alto valor de (re)utilização (PELIZER et al., 2007). Em particular, a indústria de alimentos produz uma série de resíduos com potencial valor de reutilização. O setor orizícola destaca-se entre os setores que tem demonstrado preocupação com o meio ambiente e têm adotado medidas visando a redução dos impactos ambientais decorrentes das externalidades do sistema produtivo (SAIDELLES, 2012). O uso da casca de arroz, da serragem de eucalipto e do caroço de pêssego, em processos de conversão térmica (pirólise) de biomassa, pode ser opção muito interessante para diversas regiões brasileiras, uma vez que pode tirar proveito da grande disponibilidade local de biomassa residual (DINIZ, 2004). Segundo dados da FAO (2014), o Brasil é 9º maior produtor de arroz do mundo, com produção de toneladas de arroz com casca. Dados da PAM - IBGE (2015) apresentam que a produção de arroz em Santa Catarina no ano de 2013 foi de TON. Segundo DIAS et al. (2012), o coeficiente técnico de geração de resíduos na fase da colheita (palhada) é de 1,30 a 1,80 e na fase de beneficiamento (casca e rejeitos) é de 0,22. Desta forma, em 2013 foi gerado um total entre a TON de resíduos oriundos da orizicultura, sendo entre a TON de palhada e TON de casca e rejeitos. De acordo com PODE (2016), a estimativa de casca de arroz é de toneladas e de palhada é de toneladas no ano de Segundo dados do IBGE (2013), o arroz (em casca) possui a quinta maior área plantada de lavoura temporária do Brasil, com área de hectares, a região Sul possui 53,13% do total, Santa Catarina possuiu 11,81% da produção em relação à área plantada no Sul e o Sul Catarinense com 62,31% da área planta de Santa Catarina. Uma das culturas mais cultivadas no mundo é o arroz, o que leva a milhões de toneladas de casca. A grande quantidade destes resíduos biológicos e lignocelulósicos tem resultado em uma extensa pesquisa para a sua utilização. A utilização mais comum destes resíduos é para a produção de eletricidade em unidades para a produção de calor e eletricidade (cogeradoras) ou em unidade de gaseificação e produção de calor combinados (BAZARGAN et al, 2015). A produção de casca de arroz no mundo chega a 80 milhões de toneladas por ano. Isto representa, por exemplo, na Índia, a produção de 22 milhões de toneladas anuais, gerando 200x109 MJ de energia (NATARAJAN et al., 1998). A casca de arroz é um dos mais abundantes resíduos agrícolas, estima-se que para cada hectare de cultura de arroz, são produzidos de 4,0 a 6,0 mega gramas (Mg) de resíduos (CORTEZ et al, 2008). Do processo de beneficiamento do arroz tem-se como resíduo a casca de arroz (CA), que devido ao seu alto poder calorífico (aproximadamente kj/kg) e custo praticamente

3 nulo, vêm cada vez mais substituindo a lenha empregada na geração de calor e de vapor, necessários para os processos de secagem e parboilização dos grãos. Mediante a queima da casca de arroz em fornalhas a céu aberto ou em fornos especiais com temperatura controlada, é produzida a cinza de casca de arroz (CCA), denominada residual quando é obtida sem controle de temperatura e tempo de exposição (DELLA, 2001). Segundo AMATO (2002) citado por LORENZETT (2012), uma interessante forma de se aproveitar a casca de arroz seria através de sua utilização como fonte energética nas próprias instalações da indústria de beneficiamento de arroz, dessa forma poderia se reduzir os custos fixos da atividade, um vez que a casca de arroz é absolutamente gratuita para essa indústria, não incorrendo sequer em transporte de tal fonte energética, pois ela já se encontra dentro das instalações do empreendimento. Segundo SILVA (2012), a casca de arroz tem sido utilizada em locais de incubação de frango, como aditivo na indústria de cimento e como fertilizante. Mesmo assim, estas ações não são suficientes para reduzir significativamente o problema de descarte, sendo então proposta a alternativa de se utilizar a casca de arroz para produção de energia. A palha de arroz é usada principalmente e eliminada das seguintes maneiras: arar em campos, ração animal, adubo, piso casa gado, cobrindo material para campos, artesanato de palha, combustão e outros usos. Apenas uma pequena porção da palha de arroz produzido é usada como fonte de energia, devido aos inconvenientes e a necessidade de instalações de armazenamento, de transporte, preocupações e problemas operacionais. Além disso, a coleção palha de arroz é difícil e sua disponibilidade é limitada ao tempo da colheita (PODE, 2016). Cerca de 80% da palha de arroz no mundo está aplicada a gestão inadequada de eliminação, fonte que causa poluição. Palha de arroz é raramente usada como fonte de energia renovável (BINOD, 2010). Portanto, a disponibilidade de grande quantidade de resíduos da cadeia produtiva do arroz na época de safra e suas características físicas e químicas possibilitam o usos destes resíduos para a geração de energia, contribuindo para a correta destinação dos resíduos agrícolas, agregando valor e consequentemente trazendo benefícios para a produção. A utilização destes resíduos para a geração de energia e de insumos químicos, além de interessante economicamente, permite que seja dado destino adequado aos mesmos, diminuindo impactos ambientais (DINIZ, 2004). Assim, o objetivo deste trabalho foi determinar a qualidade dos resíduos da cadeia produtiva do arroz para o uso energético avaliando as características de cada resíduo e seu potencial energético. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados foram a palha oriunda da lavoura, resultante da colheita do arroz, casca produzida no processamento (secagem e descascamento) e cinza, oriunda da queima das cascas na caldeira utilizada no processo de secagem do arroz. As amostras foram coletadas em um mesmo período na região sul do Estado de Santa Catarina, na cidade de Tubarão (Tabela 1). Tabela 1. Descrição das amostras utilizadas no estudo Casca de Arroz Carbonizada (cinza de caldeira) Casca de Arroz Palha de Arroz A* data de coleta (2015) Peso (kg) A* data de coleta (2015) Peso (kg) A* data de coleta (2015) 1 13/03 12, /03 5, / /03 12, /03 5, /03 12, /03 5, /03 13, /03 5,16 Peso (kg)

4 5 14/03 12, /03 5, /03 12, /03 5, /03 12, /03 7, /03 11, /03 5, /03 12, /03 5, /03 13, /03 5, /03 6, /03 5, /03 5, /03 5, /03 6,00 Total (kg) 126,38 Total (kg) 85,16 Total (kg) 100,00 (*) Amostras A partir das amostras coletadas em campo, para cada material foi obtida uma subamostra de aproximadamente 20 kg, na qual as análises foram realizadas. A palha de arroz foi moída em moinho de martelo com abertura de 10 mm para obtenção de uma menor granulometria. Após, as amostras de palha de arroz, casca de arroz e cinza de casca de arroz foram acondicionadas em câmara climatizada até teor de umidade de equilíbrio de 12%. A casca, a cinza e a palha de arroz foram peneiradas em peneiras de 40 e 60 mesh, sendo o material retido na peneira de 60 mesh utilizado para as análises químicas e energéticas. Para cada material foram determinadas as propriedades físicas, químicas e energéticas. As propriedades físicas analisadas foram: teor de umidade na base úmida (material in natura) conforme norma NBR (ABNT, 2003), e densidade básica determinada pelo método hidrostático, usando-se a água como líquido de deslocamento, após saturação do material, e posterior secagem em estufa até massa constante. Em ambas as análises físicas foram realizadas 05 repetições. A análise química consistiu na Determinação da Lignina da palha e da casca do arroz por meio da norma NBR 7989 (ABNT, 2010), Solubilidade em Etanol:Tolueno NBR (ABNT, 2010a) e Solubilidade em água quente, segundo a norma NBR (ABNT, 2003a) e extrativos totais pela Tappi T 204 cm-97 (1997). Em ambas as análises foram realizadas 04 repetições. A cinza da casca de arroz não foi analisada neste caso, pois a mesma é oriunda do processo de queima onde ocorreu a carbonização do material. As análises energéticas consistiram em determinar o Poder Calorífico Superior e Análise Química Imediata (ambos com 03 repetições para cada material) da casca, palha e cinza da casca do arroz. O Poder Calorífico Superior foi determinado conforme a Norma DIN (DIN, 2000); e a Análise Química Imediata foi determinada em Termobalança Gravimétrica (TGA), conforme a norma ASTM 1762 (ASTM, 2007), com temperaturas de 900 C para a determinação dos voláteis e 700 C para cinzas. O delineamento do experimental foi inteiramente casualizados, os dados obtidos foram submetidos a uma analise de variância e feito o teste de média de Scott-Knott a 95% de significância, utilizando o programa StatSoft. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados para as propriedades físicas, químicas e energéticas dos resíduos da caldeira estão demonstrado na Tabela 2. Tabela 2. Propriedades físicas, químicas e energéticas dos resíduos da cadeia produtiva do arroz em Santa Catarina

5 Material TU DB (g/cm 3 ) CF TV TC PCS (kcal /kg) Casca de Arroz 10,87 c 0,3806 a 16,63 a 69,14 b 14,23 b 3950 b Resíduo da Caldeira 60,40 a 0,4074 a 12,04 b 4,82 c 83,14 a 943 c Palha de Arroz 22,49 b 0,2142 b 11,23 b 79,71 a 9,06 c 4219 a CV 2,44 9,41 13,94 4,38 0,68 1,46 Média 31,26 0, ,17 46,58 40, Legenda: TU = teor de umidade na base úmida; DB = densidade básica; CF = teor de carbono fixo; TV = teor de voláteis; TC = teor de cinzas. PCS = poder calorífico superior O teor de umidade do resíduo da caldeira e da palha do arroz se apresentou acima do recomendado, sendo que para a geração de energia, quanto menor o teor de umidade, melhor é a eficiência energética do combustível. A média geral para TU foi de 31,26%. Estatisticamente os teores foram diferentes entre si. Sendo que o maior teor de umidade foi para o resíduo da caldeira, 60,40% de umidade, devido ao tratamento dos gases da caldeira que ocorre após a queima da casca do arroz. BAZARGAN (2014) e MAUAZU (2015) encontram valores para teor de umidade de 7,9% e 12%, respectivamente, para casca do arroz. Para densidade básica houve diferença estatística da palha do arroz, que apresentou a menor densidade, em comparação aos demais materiais. MUAZU (2015), encontrou valores 0,331 até 0,380 g/cm³, para densidade da casca do arroz, valores próximos ao encontrado nesse estudo, conforme demonstra a Tabela 2. Para as análises de Carbono fixo, obtivemos valores com média de 13,17%, onde houve diferença estatística somente da casca do arroz, com maior valor, em relação aos outros materiais. O Teor de Voláteis obteve média de 46,58%, onde todos os materiais tiveram diferença estatística entre si, sendo que o maior teor de voláteis obtido foi da palha do arroz, com 79,71%. O teor de cinzas teve média de 40,24%, sendo diferente estatisticamente em todos os materiais analisados. O material que teve maior teor de cinzas foi o Resíduo da Caldeira, com 83,14%. Esperava-se este valor já que o resíduo da caldeira é o resíduo da queima da casca do arroz, onde o material já sofreu carbonização. PODE (2016) cita que a palha de arroz possui teor de cinzas que varia de 10-17% do seu peso. MAUAZU (2015) encontrou valor de 20% para teor de cinzas, valor superior encontrado nesse estudo. PAULA (2011) encontrou valores próximos de teor de cinzas 16,46%, teor de voláteis 66,36% e carbono fixo 17,30% para casca de arroz. O poder calorífico é um excelente parâmetro para se avaliar a potencialidade energética de combustíveis de biomassa (PROTÁSIO et al., 2011; BRAND,2010; FRIEDL et al., 2005; PARIKH et al., 2005), sendo definido como quantidade de energia liberada na combustão completa de uma unidade de massa do material combustível e apresenta significativa dependência da constituição química elementar e mineral da biomassa (PROTÁSIO et al., 2011). Para o poder calorífico superior (PCS) houve diferença estatística entre todos os materiais. A palha do arroz obteve maior valor com 4219 kcal/kg. Segundo BRAND (2010), biomassa com maior teor de voláteis e menores teores de cinzas apresenta maior poder calorífico, como podemos observar na Tabela 2. O resíduo da caldeira teve o menor valor para teor de voláteis, maior teor de cinzas e menor Poder Calorífico, 943 kcal/kg.os autores PAULA (2011) e DINIZ (2004) encontraram valores próximos do encontrado nesse estudo, para PCS da casca de arroz, 3812 kcal/kg e 3908 kcal/kg respectivamente. PODE (2016), encontrou valores aproximados de 3700 kcal/kg, para palha do arroz, sendo um pouco abaixo do encontrado no presente estudo. Os resultados das análises dos teores de extrativos estão demonstrados na Tabela 3 a seguir.

6 Tabela 3. Teores de extrativos e Teor de lignina Amostra Et:T Et H 2 O E.Tot TL Casca de Arroz 2,17 b 0,4781 a 2,88 a 5,53 b 31,50 b Palha de Arroz 2,79 a 0,4417 a 3,24 a 6,48 a 32,80 a CV 5,88 12,91 11,05 7,33 1,93 Média 2,48 0,4599 3,06 6,00 32,15 Legenda: Et:T = Teor de extrativos solúvel em Etanol:Tolueno (1:2); Et= Teor de extrativos solúvel em etanol; H2O= Teor de extrativos solúvel em Água quente; E.Tot= Extrativos totais; TL= Teor de Lignina. Houve diferença estatística para teor de extrativos solúvel em etanol:tolueno, extrativos totais e teor de lignina. Nas análises realizadas, a palha de arroz apresentou maiores valores. Teor de extrativos solúveis em Etanol e teor de extrativos solúveis em Água não houve diferença estatística. PAULA (2011) encontrou 4,06% de teor de extrativos totais e 26,90% de teor de lignina para a casca do arroz. WILLIAMS (2000) encontrou valor de 19,2% para teor de lignina. 4. CONCLUSÕES O Teor de Umidade obtido nas análises do material in natura do Resíduo da Caldeira (Cinza de Casca de Arroz) se apresentou alto para uso na geração de energia. Isso se deve ao tratamento dos gases que saem da caldeira onde há a utilização de água para fixação e arraste de particulado, sendo necessário um tratamento prévio para utilização como combustível ou em mistura com outros materiais. O Poder Calorífico apresentado juntamente com a composição química da palha e da casca do arroz demonstram que os materiais são adequados para a produção de briquetes e pellets de alta qualidade. O Teor de Lignina que apresentou valores superiores reforçam a possibilidade de utilização e agregam alta qualidade nos produtos de briquetagem. A qualidade da casca e da palha do arroz se demonstrou excelente insumo para a produção de energia, sendo utilizado in natura ou através da transformação mecânica em compósitos energéticos como o briquete e pellets. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM, D : Standard Test Method for Chemical Analysis of Wood Charcoal ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 7222: Concreto e argamassa determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 7989: Pasta celulósica e madeira Determinação de lignina insolúvel em ácido. Rio de Janeiro, 2010 (b). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 14577: Determinação do material solúvel em água. Rio de Janeiro, 2003 (a). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 14853: Madeira - Determinação do material solúvel em etanol-tolueno e em diclorometano e em acetona. Rio de Janeiro (a). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 14929: Madeira - Determinação do teor de umidade de cavacos - Método por secagem em estufa. Rio de Janeiro, 2003 (b).

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