CASCA DO CAFÉ PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA: CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA E ANÁLISE DOS GASES DE COMBUSTÃO

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1 CASCA DO CAFÉ PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA: CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA E ANÁLISE DOS GASES DE COMBUSTÃO L. COMÉRIO 1, L. M. KAFLER 1, G. C. CORRÊA 1, V. DAL-BÓ 2, T. S. LIRA 3 e L. S. ARRIECHE 3 1 Graduandas em Engenharia Química UFES 2 Mestranda do Programa de Pós-Graduação em Energia UFES 3 Professores do Departamento de Engenharias e Tecnologia UFES para contato: vanessadalbo1@gmail.com RESUMO Entre os resíduos do café robusta destacam-se as cascas, que representam cerca de 50% do fruto. Assim, estudou-se a síntese da geração de energia pela combustão destes resíduos, bem como a sua caracterização e análise dos gases. Para tanto, foram reunidas regras heurísticas referentes a sete subsistemas, a fim de otimizar 117 fluxogramas, sistematizados através de árvores de estados. Para a caracterização, foram determinados o teor de umidade, matéria volátil, cinzas e carbono fixo, além do poder calorífico, densidade e granulometria. As emissões de gases poluentes, como monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrocarbonetos, foram monitoradas durante ensaios de combustão. A caracterização do material indicou elevado potencial energético e foi útil para definir o fluxograma de recuperação energética. Porém, nas condições utilizadas, as emissões gasosas ultrapassaram os limites estabelecidos pelo CONAMA. Neste sentido, maiores estudos são necessários para a sua aplicação efetiva. 1. INTRODUÇÃO Com o crescimento da economia, o consumo de energia elétrica aumentou de forma significativa nos últimos anos, ocorrendo crises de abastecimento devido ao aumento da demanda em relação a oferta. A eletricidade se tornou uma das fontes mais versáteis e convenientes de energia, passando a ser recurso indispensável e estratégico para o desenvolvimento dos países (PINTO, 2008). A utilização de biomassa proveniente de resíduos agrícolas vem se destacar como alternativa promissora num contexto de crise energética. O grande volume de resíduos gerados pela agricultura acarreta um grave problema ambiental, visto que o tratamento e disposição final ainda são incipientes. Neste sentido, surge a obtenção de energia a partir da combustão de biomassa, pois além de ser obtida de fontes renováveis, sua utilização oferece meios de se

2 aproveitar resíduos oriundos das atividades agrícolas e florestais. Segundo Zanette (2009), uma grande vantagem de utilizar biomassa como fonte energética está associada com a mitigação das emissões de CO2. Os compostos liberados na sua combustão são sequestrados pelos novos plantios, fechando o ciclo do carbono, portanto, não contribuem com o efeito estufa, sendo uma prática ecologicamente correta. O café é um produto extremamente importante para a economia nacional, com uma produção estimada em cerca de 30 milhões por ano, além de contribuir com aproximadamente 32% do mercado internacional. Durante o processamento do café em coco, gera-se cerca de 50% de casca e na maioria das vezes são descartadas de forma inadequada. Dessa forma, torna-se necessário buscar soluções viáveis para o seu reaproveitamento. Segundo Silva (2012), a casca do café apresenta características desejáveis para uma possível aplicação energética, já que seu poder calorifico é próximo ao do bagaço da cana. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo estudar a síntese de geração de energia pela rota termoquímica de combustão, assim como avaliar as características da biomassa e analisar a emissão dos gases provenientes da combustão da casca do café. 2. METODOLOGIA Para a realização dos experimentos de caracterização foi utilizado a casca do café conilon, provenientes de dois tipos de processamento: via úmida café despolpado, e via seca palha do café. Para a combustão foi utilizado somente a casca originária do processamento via úmida. A Figura 1 mostra os dois tipos de casca utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho. (a) (b) Figura 1 Casca do café in natura: (a) via úmida; (b) via seca. As biomassas foram coletadas no mês de junho de As cascas proveniente da despolpa foram fornecidas por uma fazenda localizada no interior da cidade de São Gabriel da Palha ES, e posteriormente foram armazenadas em sacos de polietileno a temperatura de -18 C. A casca do café, proveniente da via seca, foi adquirida no interior da cidade de Jaguaré ES, e posteriormente foi armazenada em sacos plásticos a temperatura ambiente.

3 2.1 Caracterização da casca do café As cascas do café foram caracterizadas através da análise química imediata (teor de umidade, materiais voláteis, cinzas e carbono fixo), densidade e granulometria. Todos os testes foram realizados em triplicata, baseados na norma ASTM E O poder calorífico superior (PCS) foi obtido através de estimativas com base nos resultados de carbono fixo (CF), teor de voláteis (TV) e cinzas (TC), conforme a Equação 1, citada por Parikh et al. (2005). PCS = 84,5104 x CF + 37,2601 x TV 1,8642 x TC (1) 2.2 Combustão da casca do café A combustão foi realizada em mufla Sppencer, com controle de temperatura e porta semiaberta. Os gases foram medidos na parte superior da mufla em intervalos contínuos de 1 minuto através do analisador de gases ECIL. A combustão foi realizada em temperatura fixa de 800 C. Durante os ensaios de combustão foram monitoradas as emissões de gases poluentes, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos. 2.3 Síntese do processo de combustão A obtenção da energia elétrica a partir da casca do café pode ser realizada por distintas etapas. Diante da complexidade do projeto em questão e o objetivo de realizar uma análise mais completa da tecnologia de combustão, o projeto foi sistematizado através da construção de árvore de estados de forma a representar as rotas tecnológicas, os subsistemas envolvidos e os equipamentos utilizados em cada subsistema, conforme pesquisa na literatura. Os fluxogramas alternativos gerados na etapa de síntese foram submetidos a uma análise para identificar aquele que exibe o melhor desempenho. Desta forma foram criadas regras heurísticas para cada subsistema, com intuito de alcançar o fluxograma próximo ao ótimo. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Caracterização da casca do café As amostras de biomassa da casca do café ficaram retidas em maior quantidade na peneira de mesh 4. A identificação da granulometria do material é importante, visto que interfere diretamente na zona de combustão, ou seja, quando as partículas são desuniformes as mesmas acarretam queima irregular da carga de zona de combustão. O teste de densidade apresentou valores de 1,05 e 1,43 g/ml para a casca proveniente da via úmida e via seca, respectivamente. A Figura 2 apresenta os resultados experimentais obtidos para a análise imediata e poder calorifico comparados aos valores obtidos por Cieslinski (2014) para a casca do café e bagaço da cana.

4 (a) (b) Figura 2 (a) Análise imediata. (b) Poder Calorifico Superior. Através do gráfico da Figura 2 podemos verficar que os resultados, para a casca do café, obtidos em laboratorio mostraram-se um pouco divergentes aos encotrados por Cieslinski (2014). Esse fato pode ser explicado em função da variedade do café, das cartacterísticas do solo que afetam a composição da biomassa e do tipo de processamento do café. Ao comparar a casca do café com o bagaço da cana, nota-se que o teor de cinzas da casca do café é baixo e o poder calorifico é maior. Os demais parâmetros encontram-se próximos. Analisando o café via úmida e via seca, nota-se que o teor de cinzas é menor para a via seca, e consequentemente o poder calorifico é maior, o que favorece o uso da palha como opção energética. O teor de voláteis, carbono fixo e o poder calorifico superior encontram-se na mesma ordem de grandeza. 3.2 Combustão da casca do café A Figura 3 apresenta a evolução das emissões de CO, CO2, NOx, SOx e CxHy durante o teste de combustão da casca do café. A fim de comparar os diferentes valores dos gases de combustão com os limites de emissão permitidos pelo Conama, as concentrações foram corrigidas para 8% de excesso de oxigênio conforme critérios estabelecidos pela resolução 382/06 do CONAMA. (a) (b) Figura 3 Emissões de: (a) NOx, SOx, CO2, CxHy e (b) CO.

5 A curva de concentração de CO2 para a casca do café em função do tempo, mostrou-se próxima a alcançada por Bäfver et al. (2011) para toras de madeira. A concentração de NOx foi superior aos valores encontrados por Limousy et al. (2013) para a combustão de pastilhas de pinho, e Cieslinski (2014) para queima da casca do café. As emissões de SOx também ultrapassaram valores citados por Verma et al. (2012) para madeira, pastilhas de grama, casca de girassol, pastilhas de resíduos de pectina cítrica e palha. A concentração de hidrocarbonetos foi zero em quase toda a queima da biomassa. Através da Figura 3, nota-se que a concentração de CO atingiu valores altos no início da combustão. Segundo Fernández et al. (2012), concentrações elevadas de CO demonstram que há combustão incompleta e que a biomassa necessita de grande quantidade de ar para combustão. Os valores mostraram-se próximo aos alcançados por Cieslinski (2014) e Bäfver et al. (2011). As emissões de CO ultrapassaram os limites estabelecidos pela resolução 382/06 do CONAMA para a cana de açúcar, de 6500 mg/nm 3 (5204 ppm). 3.3 Síntese do processo de combustão A rota de combustão da casca do café foi decomposta em algumas etapas, sendo que a etapa de secagem possui integração energética. A seguir são descritos os tipos de equipamentos a serem analisados para cada subsistema em questão. Tipo de Casca: Foi dividido em dois tipos, úmida (CD) e a seca (PC). Redução granulométrica: Foram avaliadas três rotas, britador secundário (BS), moinhos finos (MF) e também foi proposta a abolição desta etapa (SRG). Secagem: Foram analisadas seis rotas, secador agitado a batelada (SAB), com circulação de ar (SCA), de bandejas (SB), fluidizado (SF), pneumático (SP) e secagem solar (SSO). Também foi avaliada a possibilidade de eliminação desta etapa (SSE). Compactação: Neste procedimento foi abordado as etapas de peletização (CP) e briquetagem (CB), além da possibilidade de não ocorrer compactação (SC). Reação de Combustão: Neste subsistema não foram avaliados os diferentes tipos de reatores de combustão (RC). Geração a vapor: Nesta etapa não foi verificada outras possibilidades de geração a vapor (GV). Diante a definição dos equipamentos a serem analisados, foi possível determinar os fluxogramas plausíveis para a geração de energia. Sendo assim, foi elaborada a árvore de estados (Figura 4), em que cada ramo é uma possível rota do processamento da biomassa do café e não reflete, ainda, a solução do problema. A combinação destes subsistemas gerou 117 ramos.

6 CD MF BS SRG SAB CI SI CP CB SC RC GV Energia SCA SB COMBUSTÃO SF SP Casca do Café SSO SSE SI SI MF SSE SI PC BS SRG Figura 4 Árvore de Estados reduzida para a rota termoquímica de combustão. Os fluxogramas alternativos gerados na etapa de síntese precisam ser submetidos a uma análise para identificar aquele que exibe o melhor desempenho. Desta forma foram criadas regras heurísticas para cada subsistema envolvido, com intuito de alcançar o fluxograma próximo ao ótimo. Para geração de energia a partir da casca do café, tem-se como primeiro subsistema o beneficiamento do café, o qual pode ser realizado por via úmida ou via seca. O processamento por via úmida gera maiores quantidade de resíduos, pois utiliza elevado volume de água durante a despolpa. Já o processamento por via seca, gera apenas a palha como resíduo, a qual possui umidade de aproximadamente 10,59% em base úmida. Perante os fatos, o processamento por via seca torna-se mais vantajoso, pois não há dependência de recurso hídrico para a separação do resíduo casca de café em relação ao fruto (polpa). A etapa de redução granulométrica tem por finalidade aumentar a relação superfície/volume, elevando a eficiência de posteriores operações. Com base na alimentação dos moinhos finos e dos britadores, foram estabelecidas regras heurísticas, que ao serem analisadas chega-se a aplicação de moinhos finos. Regra 1 Se o tamanho das partículas na alimentação for maior que 5 cm, aplicar britadores primários. Se não, aplicar britadores secundários ou moinhos finos. Regra 2 - Se a partícula estiver entre 0,5 e 5 cm, aplicar britadores secundários. E se for menor que 0,5 cm aplicar moinhos finos. A etapa de secagem é realizada a fim de reduzir a umidade do material a ser analisado. Utiliza-se exposição ao sol ou técnicas que empregam ar aquecido, ou ainda à possibilidade de não ocorrer secagem dependendo da umidade da biomassa, quantidades de casca e condições climáticas. Admitindo umidade da palha do café em torno de 11%, despreza-se a secagem da biomassa.

7 A etapa de compactação, tem por finalidade aumentar a massa especifica (em kg/m3) e a densidade energética (em kcal/m3) da biomassa. Com base no teor de umidade da casca do café, foram estabelecidas duas regras heurísticas, que ao serem analisadas chega-se a rota de briquetagem. Regra 1 Se o teor de umidade for maior que 15%, não compactar a biomassa. Se não, aplicar peletização ou briquetagem. Regra 2 Se o teor de umidade estiver entre 10 e 15%, aplicar briquetagem. Se não, aplicar peletização. Diante do exposto foi possível determinar o fluxograma-base pela ordenação das tecnologias apresentadas em cada subsistema. As rotas que maximizam a geração de energia através da rota termoquímica de combustão foi PC MF SSE SI CB RC GV, o qual equivale ao fluxograma-base de número CONCLUSÕES Os resultados da caracterização da casca do café foram satisfatórios e próximos aos encontrados na literatura. A biomassa apresentou alto poder calorifico e baixo teor de cinzas quando comparada ao bagaço da cana. A combustão da casca do café apresentou alta emissão de monóxido de carbono, o que pode estar relacionado a uma baixa temperatura de combustão, oxigênio insuficiente, má mistura do combustível com o ar de combustão, ou até mesmo um tempo de residência muito curto dos gases na zona de combustão. A otimização estrutural aplicada neste trabalho mostrou-se adequada para a resolução do problema de síntese de processo de produção de energia a partir da casca do café. O tema proposto contribui para o desenvolvimento sustentável e incentiva o desenvolvimento de novas tecnologias para o aproveitamento de biomassa. 5. REFERÊNCIAS ASTM INTERNATIONAL. E870-82: Standard Test Methods for Analysis of Wood Fuels. West Conshohocken, PA, BÄFVER, L. S; LECKNER, B.; TULLIN, C.; BERNTSEN, M. Particle emissions from pellets stoves and modern and old-type wood stoves. Biomass and Bioenergy, v. 35, p , CIESLINSKI, J. E. F. Estudo da emissão e do controle dos gases e particulados provenientes da queima da biomassa p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Universidade Estadual Paulista. Guaratinguetá, 2014.

8 CONAMA. Resolução Conama nº 382/06: Limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas, FERNÁNDEZ, R. G.; GARCÍA, C. P.; LAVÍN, A. G.; HERAS, J. L. B. de L. Study of main combustion characteristics for biomass fuels used in boilers. Fuel Processing Technology, v. 103, p , LIMOUSY, L.; JEGUIRIM, M.; DUTOURNIÉ, P.; KRAIEM, N.; LAJILI, M.; SAID, R. Gaseous products and particulate matter emissions of biomass residential boiler fired with spent coffee grounds pellets. Fuel, v. 107, p , PARIKH, J.; CHANNIWALA, S. A.; GHOSAL, G. K. A correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels. Fuel, v. 84, p , PINTO, L. R. de M. Análise da Viabilidade da Geração de Energia Elétrica Descentralizada a partir de resíduos agrícolas no estado de Goiás e Estudo de Caso do Município de Rio Verde. 136p. Dissertação (Mestrado em Engenharia da Energia), Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, SILVA, J. P. da. Caracterização da casca de café (coffea arábica, L) in natura, e de seus produtos obtidos pelo processo de pirólise em reator mecanicamente agitado. 119p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Estadual de Campinas. Campinas VERMA, V. K.; BRAM, S.; DELATTIN, F.; LAHA, P.; VANDENDAEL, I.; HUBIN, A.; RUICK, J. de. Agro-pellets for domestic heating boilers: standard laboratory and real life performance. Applied Energy, v. 90, p , ZANETTE, A. L. Potencial de aproveitamento energético do biogás no Brasil. 97p. Dissertação (Mestrado em Planejamento Energético), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPES e CAPES pelo suporte financeiro que permitiu conduzir a presente pesquisa.