DENSIDADE ENERGÉTICA DE RESÍDUOS VEGETAIS 1

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1 113 DENSIDADE ENERGÉTICA DE RESÍDUOS VEGETAIS 1 Energy Density of Plant Residues Giorgiana Freitas Pinheiro 2, Gonçalo Rendeiro 3 e João Tavares Pinho 4 Resumo: Este trabalho apresenta os resultados de ensaios de laboratório (densidade a granel, umidade e poder calorífico) realizados em biomassa energética (resíduos), obtida no setor agrícola e na indústria madeireira, com os objetivos de determinar sua densidade energética, quando utilizada sem processamento prévio, avaliar a influência de parâmetros como umidade, densidade, granulometria e poder calorífico, bem como obter valores típicos para os referidos parâmetros que possam ser adotados quando do dimensionamento de plantas de geração de energia elétrica, utilizando biomassa como combustível. Palavras-chave: Resíduos, densidade energética, caracterização de resíduos e aproveitamento de biomassa. Abstract: This paper presents the results of laboratory tests (density, moisture content and heating value), carried out on energetic biomass (residues), obtained from the agricultural sector and lumber industry, to determine energy density when used without previous processing, and to evaluate the influence of parameters such as moisture, density, grain size and heating value, as well as to obtain typical values for the cited parameters, that can be used for dimensioning electric power plants using biomass as fuel. Keywords: Residues, energy density, residue characterization, and biomass utilization. 1 INTRODUÇÃO A biomassa constituída de resíduos resultantes de processos industriais é uma das alternativas consideradas para geração de energia com fontes e, ou, tecnologias nãoconvencionais. A agroindústria e a indústria florestal, dentre elas a sucro-alcooleira, papel, celulose e madeireira, são exemplos de setores que produzem resíduos com importante potencial de aproveitamento energético no Brasil. É comum esses resíduos possuírem grande variedade de formas, densidades, granulometrias e umidades, ou seja, considerável heterogeneidade. A queima direta desses resíduos proporciona custo reduzido para o calor gerado e 1 Recebido para publicação em e aceito em M.S., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará DEEC/UFPA, Rua Augusto Correa, n o 1, Belém-PA, <giorgiana.pinheiro@redecelpa.com.br>; 3 M.S., Prof. do Departamento de Engenharia Mecânica DEM/UFPA, <rendeiro@ufpa.br>; 4 Dr.Ing., Prof. do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação DEEC/UFPA, <jtpinho@ufpa.br>. Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

2 114 PINHEIRO, G.F. et al. custo de geração de energia mais competitivo, muito embora apresente baixo rendimento térmico em função da umidade e heterogeneidade. No entanto, esse baixo rendimento é compensado pela facilidade de obtenção do combustível a um custo mínimo. Na utilização de resíduos sem processo de conversão prévia para obtenção de combustível (sólido ou gasoso) com características mais homogêneas, é de extrema importância observar a influência das variáveis como umidade, densidade, granulometria e poder calorífico na densidade energética, devido à influência direta no custo do kwh produzido. Este trabalho apresenta uma avaliação de resultados de ensaios de laboratório de caracterização (densidade a granel, umidade e poder calorífico) de resíduos do setor agroindustrial e madeireiro, com os objetivos de verificar seu desempenho como combustível, através da determinação da densidade energética, avaliar a influência de parâmetros como umidade, densidade e granulometria no seu aproveitamento, bem como determinar os valores típicos dos referidos parâmetros que possam ser utilizados como referencial no dimensionamento de equipamentos para geração de energia. 2 METODOLOGIA As amostras ensaiadas foram disponibilizadas pelas empresas produtoras de resíduos sem misturas, nas condições em que se encontravam após o processamento, e que poderiam vir a ser utilizadas em uma usina de geração de energia. Elas permaneceram armazenadas em um pátio coberto por no máximo uma semana, até a data dos ensaios. Para cada amostra foram realizadas três determinações de cada parâmetro, e calculada a média aritmética. Foram realizados ensaios de poder calorífico superior e umidade em 32 amostras, e ensaios de umidade, poder calorífico superior e densidade a granel em 13 amostras. Os resíduos foram obtidos em empresas madeireiras e agroindustrias localizadas nos municípios de Belém, Ananindeua e Marituba, no Estado do Pará. A partir dos resultados dos ensaios de análise química imediata, umidade e densidade a granel, foram determinados, através de cálculos, o poder calorífico inferior PCI e a densidade energética das biomassas, para comparação do seu desempenho como combustível, da seguinte maneira: a) a densidade energética (quantidade de energia por unidade de volume de um combustível) foi obtida pelo produto do PCI com a densidade a granel das amostras; e b) o poder calorífico inferior foi obtido através da equação 1 (JEN, 1987): PCI = ( a). PCS 9. ( 1 a). h. h o a. h o ( 25 ) (25 ) 1 lv C lv C (eq. 1) em que PCI = poder calorífico inferior (kcal kg -1 ); PCS = poder calorífico superior (kcal kg -1 ); a = umidade base úmida (%); h = porcentual de hidrogênio do material seco (%); e h = lv (25 oc) entalpia de vaporização da água a 25 o C (kcal kg -1 ), igual a 583,58 kcal kg -1. O teor de hidrogênio foi calculado a partir da seguinte equação empírica (fórmula de Seyler), obtida em Gomide (1984): 1 h =,69. PCS ' + MV ' 2,87 1 (eq. 2) 1 PCS' = PCS (eq. 3) ( MV + CF) 1 MV ' = MV (eq. 4) MV + CF em que: h = porcentual de hidrogênio; PCS = poder calorífico em base seca e isenta de cinza Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

3 115 (kcal kg -1 ); MV = porcentual de matéria volátil em base seca e isenta de cinza; MV = porcentual de voláteis; e CF = porcentual de carbono fixo. Foram realizados também ensaios em 13 amostras resultantes de misturas de dois tipos de resíduos, com porcentagens de 5% + 5% (serragem mais resíduo agroindustrial) e 7% + 3% (serragem mais resíduo agroindustrial). Para efetuar as misturas, as amostras foram separadas em peso e misturadas manualmente, até obtenção de amostra com aspecto visual uniforme, a fim de garantir resultados representativos para os ensaios de umidade e poder calorífico, uma vez que se utiliza quantidade pequena na execução dos ensaios (5 g para a umidade e,5 g para o poder calorífico); se as misturas fossem heterogêneas poderiam apresentar resultados incorretos. Para verificar a influência do aumento de umidade na densidade a granel e, conseqüentemente, na densidade energética de uma mesma amostra de biomassa, foram realizados ensaios em duas amostras de serragem, constituídas de madeiras classificadas como madeira leve (quaruba, com densidade de 6 kg m -3, a 12% de umidade) e madeira pesada (jatobá, com densidade de 89 kg m -3, a 12% de umidade), e em amostras de resíduos da agroindústria, com granulometrias diversas (fibra de dendê e casca de castanha). As Figuras 1 e 2 ilustram as amostras que foram ensaiadas para duas condições de umidade: 1. umidade em que os resíduos foram coletados nas empresas (identificadas como amostras em umidade natural); e 2. umidade após a molhagem com água corrente, identificadas como amostras saturadas (Figura 3). 2.1 Normatização Foram adotadas como referência para execução dos ensaios as seguintes normas brasileiras existentes para carvão vegetal, que se adequaram aos resíduos estudados, conforme avaliações realizadas por Pinheiro et al. (24): - NBR 6923 Carvão Vegetal - Amostragem e Preparação da Amostra, que define os procedimentos de coleta e preparação de amostras para realização de ensaios de caracterização de carvão vegetal. - NBR 8112 Carvão Vegetal Análise Imediata, destinada à determinação dos teores de umidade, cinzas, matérias voláteis e carbono fixo de carvão vegetal (ABNT, 1986). - NBR 8633 Determinação do Poder Calorífico, prescreve o método de determinação do poder calorífico superior do carvão vegetal a volume constante, em uma bomba calorimétrica adiabática, isotérmica ou estática (ABNT, 1984). - NBR 6922 Determinação da Massa Específica (Densidade a Granel), prescreve o método de determinação da massa específica do carvão vegetal como recebido (ABNT, 1981). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO As Figuras 4, 5, 6 e 7 mostram os resultados dos ensaios de umidade, poder calorífico e análise química imediata, obtidos para 32 das amostras estudadas, a fim de exemplificar o comportamento típico dos resíduos florestais e agroindustriais disponibilizados pelas empresas do Estado. Na Figura 4 pode-se observar a grande variação da umidade dos resíduos nas condições de campo, que variaram de 5 até 7%. Há pouca influência do tipo de biomassa no poder calorífico superior. Este parâmetro, de modo geral, mostrou-se similar para todos os resíduos, com valores na faixa de 4.5 a 5. kcal kg -1 (Figura 5). Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

4 116 PINHEIRO, G.F. et al. (a) (b) Figura 1 Amostra de casca de castanha (a) seca (b) úmida. Figure 1 Brazilian nut Shell sample (a) dry (b) humid. (a) (b) Figura 2 Amostra de fibra de dendê (a) seca (b) úmida. Figure 2 Dende fiber sample (a) dry (b) humid. Figura 3 Molhagem das amostras. Figure 3 Sample watering. Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

5 Cumaru Sucupira Tatajuba Louro-faia Tanimbuca Pau-preto Quaruba Falso-pau-brasil Pracuuba Mogno Marupá Piquiá Cedro Casca de nozes Bambu Casca de cast.-pará Andiroba Breo -vermelho Teor de Umidade (%) -pedra Roxinho Palmito Figura 4 Resultados dos ensaios de umidade. Figure 4 Moisture assay results. 55 Poder Calorífico (cal g -1 ) Poder calorífico superior Poder calorífico inferior Cumaru Sucupira Tatajuba Louro-faia Tanimbuca Pau-preto Quaruba Falso-pau-brasil Pracuuba Mogno Marupá Piquiá Cedro Casca de nozes Bambu Casca de cast.-pará Andiroba Breo -vermelho -pedra Roxinho Palmito Figura 5 Resultado do poder calorífico superior e inferior. Figure 5 Higher and lower heating value results. Poder Calorífico Inferior (kcal kg -1 ) 5. Presente Trabalho 4.5 Brascop Engenharia Ltda 4. Nogueira e Lora Teor de Umidade (%) Figura 6 Variação do poder calorífico inferior das amostras de resíduo vegetal com a umidade base úmida. Figure 6 Lower heating value variation of the biomass residue samples with moist basis. Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

6 118 PINHEIRO, G.F. et al. Constatou-se também que há pouca influência do tipo de biomassa no poder calorífico inferior, neste parâmetro, sendo a umidade a característica que influenciou mais significativamente os resultados de PCI; maiores valores de umidade implicaram a redução significativa dos valores de PCI. Na Figura 6 esse comportamento pode ser visto claramente nos resultados de alguns ensaios realizados no presente trabalho e nas avaliações realizadas por Noguerira et al. (23) e Brascep (1987), que constataram também a similaridade dos resultados. No Quadro 1 podem ser vistas as biomassas ensaiadas nos trabalhos citados. Quanto à análise química imediata, todas as amostras apresentaram valores semelhantes, dentro das seguintes faixas (Figura 7): - teor de voláteis entre 75 e 85%; - teor de cinzas entre e 5%; e - teor de carbono fixo entre 15 e 25%. As Figuras 8, 9, 1 e 11 apresentam os resultados de ensaios de análise química imediata, poder calorífico e umidade, realizados em 13 amostras de biomassas diversas, onde se determinou também a densidade a granel, a fim de obter a densidade energética, visando identificar aquelas com melhor desempenho como combustível. O parâmetro que influenciou mais intensamente os valores obtidos para a densidade Quadro 1 Variação do PCI com a umidade Table 1 PCI variation with moisture Referência Nogueira e Lora (23) Brascop Engenharia Ltda. Resultados de ensaios realizados no presente trabalho Biomassa Umidade Base Úmida (%) Poder Calorífico Inferior (kcal kg -1 ) Lenha Madeira Cacho Seco de Amêndoa 56, Serragem 4, Caroço de Açaí 35, Fibra de Dendê 26, Casca de Castanha-do-Pará 15, Serragem 1, Serragem 5, Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

7 119 energética foi a densidade a granel das amostras; aquelas com maior densidade a granel foram as que apresentaram maior densidade energética, sendo elas: caroço de açaí, casca de amêndoa e quenga de coco. Já as biomassas constituídas por serragem, cuja densidade a granel é menor, de modo geral apresentaram menor densidade energética, independentemente do PCI. O bom desempenho do caroço de açaí pode ser questionado, visto que a umidade (base seca) das amostras coletadas, conforme a condição em que são disponibilizadas pelos produtores, situa-se na faixa de 43% (base seca). Em trabalho realizado pela Brascep (1987), constatou-se que biomassa com umidade acima de 45% (base úmida) é inadequada para aproveitamento como combustível. 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Teor de Carbono Fixo (%) Teor de Cinzas (%) Teor de Voláteis (%) Cumaru Sucupira Tatajuba Louro-faia Tanimbuca Pau-preto Quaruba Falso pau-brasil Pracuuba Mogno Marupá Piquiá Cedro Casca de nozes Bambu Casca de cast.-pará Andiroba Breo -vermelho -pedra Roxinho Palmito Figura 7 Resultados dos ensaios de análise química imediata. Figure 7 Immediate chemical analysis results Teor de Umidade (%) Cacho seco de amêndoa Fibra de coco Cascas castanha-pará Cacho seco de amêndoa PCI (cal g -1 ) Fibra de coco Cascas castanha-pará Figura 8 Resultados dos ensaios de umidade. Figure 8 Moisture test results. Figura 9 Resultados do poder calorífico inferior. Figure 9 Lower heating value results. Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

8 12 PINHEIRO, G.F. et al. Densidade a Granel (kg m -3 ) Cacho seco de amêndoa Fibra de coco Cascas castanha-pará Figura 1 Resultados dos ensaios de densidade a granel. Figure 1 Density tests results. Densidade Energética (kcal m -3 ) Figura 11 Resultados dos ensaios de densidade energética. Figure 11 Energy density tests results. Os resultados dos ensaios das misturas de biomassa constituída por serragem mais resíduos agroindustriais foram aproximadamente a média ponderada dos valores obtidos para as amostras quando ensaiadas individualmente. As Figuras 12, 13, 14 e 15 apresentam os resultados dos ensaios de umidade, PCI, densidade a granel e densidade energética das misturas de biomassa. Cacho seco de amêndoa Fibra de coco Cascas castanha-pará Teor de Umidade (%) % +casca amêndoa 5% +casca castanha 7% +3% cacho seco amêndoa 7% +3% casca amêndoa 5% +fibra dendê 7% +3% casca castanha 7% +3% fibra cendê 5% +quenga coco Figura 12 Resultados dos ensaios de umidade das misturas. Figure 12 Mixture moisture tests results. Poder Calorífico (kcal kg -1 ) % +casca amêndoa 5% +casca castanha 7% +3% cacho seco amêndoa 7% +3% casca amêndoa 5% +fibra dendê 7% +3% casca castanha Figura 13 Resultados do poder calorífico inferior das misturas. Figure 13 Lower mixture heat value results. 7% +3% fibra cendê 5% +quenga coco 5% +cacho seco amêndoa 5% +cacho seco amêndoa 5% +caroço açaí 7% +3% fibra coco 5% +caroço açaí 7% +3% fibra coco 7% +3% caroço açaí 7% +3% caroço açaí 5% +fibra coco 5% +fibra coco Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

9 121 Densidade a Granel (kg m -3 ) Figura 14 Resultados dos ensaios de densidade a granel das misturas. Figure 14 Mixture density tests results. Densidade Energética (kcal m -3 ) % +casca amêndoa 5% +casca castanha, 7% +3% cacho seco amêndoa 5% +casca amêndoa 5% +casca castanha 7% +3% cacho seco amêndoa 7% +3% casca amêndoa 5% +fibra dendê 7% +3% casca amêndoa 7% +3% casca castanha Figura 15 Resultados dos ensaios de densidade energética das misturas. Figure 15 Energy density tests results. 7% +3% fibra cendê 5% +quenga coco 5% +fibra dendê 7% +3% casca castanha 7% +3% fibra cendê 5% +quenga coco 5% +cacho seco amêndoa 5% +caroço açaí 7% +3% fibra coco 7% +3% caroço açaí 5% +fibra coco 5% +cacho seco amêndoa 5% +caroço açaí 7% +3% fibra coco 7% +3% caroço açaí 5% +fibra coco A fim de verificar a repercussão da densidade real, da granulometria e da umidade na densidade a granel e, conseqüentemente, na densidade energética dos resíduos, foram realizados ensaios em duas amostras de serragem, constituídas de madeiras classificadas como madeira leve (quaruba com densidade real de 6 kg m -3, a 12% de umidade) e madeira pesada (jatobá com densidade real de 89 kg m -3, a 12% de umidade), e em amostras de resíduos da agroindústria, com granulometrias diversas (fibra de dendê e casca de castanha). Cada uma das amostras foram ensaiadas para duas condições de umidade, a saber: na umidade em que os resíduos foram coletados nas empresas (identificadas como amostras em umidade natural) e na umidade após a molhagem com água corrente (identificadas como amostras saturadas). As Figuras 16, 17, 18 e 19 apresentam os resultados desses ensaios, a partir dos quais se verifica que a densidade real dos resíduos pouco influenciou os resultados obtidos para o PCI, este fato pode ser observado especialmente para as amostras de serragem, cujo PCI (amostras com umidade natural) foi semelhante para as amostras de jatobá e quaruba, em torno Teor de Umidade (%) Quaruba (sat) Quaruba (nat) F Dendê (sat) (nat) Figura 16 Resultados dos ensaios de umidade com variação da umidade. Figure 16 Moisture tests results, with moisture variation. F Dendê (nat) (sat) C Castanha (sat) C Castanha (nat) Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

10 122 PINHEIRO, G.F. et al PCI (kcal kg -1 ) Densidade Energética (kcal -3 m ) Quaruba (Sat) Quaru ba (nat ) F Dênde (sat) Jatoba (nat) F Dênde (nat) Jatoba (Sat) C Castanha C Cast anha (s at) (nat ) Quaruba (sat) Quaruba (nat) F Dendê (sat) (nat) F Dendê (nat) (sat) C Castanha (sat) C Castanha (nat) Q b Q b ( t) F Dê d ( t) J t b ( t) F Dê d ( t) J t b (S t) C C t h C C t h Quaruba (sat) Quaruba (nat) F Dendê (sat) (nat) F Dendê (nat) (sat) C Castanha (sat) C Castanha (nat) Figura 17 Resultados do poder calorífico inferior com variação de umidade. Figure 17 Lower heat value results, with moisture variation. Figura 19 Resultados dos ensaios de densidade energética com variação da umidade. Figure 19 Energy density tests results, with moisture variation. Densidade a granel (kg -3 m ) Quaruba (sat) Quaruba (nat) F Dendê (sat) (nat) Figura 18 Resultados dos ensaios de densidade a granel com variação de umidade. Figure 18 Density test result, with moisture variation. de 2.9 kcal kg -1, havendo redução significativa do valor de PCI com o aumento da umidade. Para as amostras de fibra de dendê e casca de castanha, o PCI obtido foi significativamente maior que o das amostras de serragem, em torno de 3.9 kcal kg -1. A densidade real das amostras influencia positivamente sua densidade a granel e garante que a biomassa apresente maior densidade energética. Nesta campanha de F Dendê (nat) (sat) C Castanha (sat) C Castanha (nat) ensaios, as amostras que apresentaram melhor desempenho como energético foram a casca de castanha e serragem de jatobá, que possuem maiores valores de densidade a granel, em umidade natural. 4 CONCLUSÕES Pode ser adotado como valor típico de PCS de resíduos vegetais 4.5 a 5. kcal kg -1. Sendo o PCI dependente da umidade, pode-se considerar para umidade em torno de 3%, PCI de 3. kcal kg -1 para resíduos vegetais. Quanto à densidade a granel de serragem, podem ser adotados valores na faixa de 15 (madeiras leves) a 25 kg m -3 (madeiras pesadas) e a densidade energética na faixa de 45. a 6. kcal m -3, considerando tratar-se do produto do PCI com a densidade a granel. Como sugestão de trabalhos futuros, deve-se realizar a queima de amostras de biomassa separadamente em usina piloto, a fim de confirmar os resultados de desempenho como combustível obtidos em laboratório, especialmente o caroço de açaí, que é um resíduo com quantitativo gerado Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25

11 123 significativo na região em estudo, e cuja densidade a granel apresentou valor consideravelmente maior que a das demais biomassas estudadas. Tendo em vista a baixa densidade a granel e a heterogeneidade natural dos resíduos, deve ser dada atenção especial ao seu armazenamento, a fim de evitar que haja aumento da umidade, o que resulta em redução das suas características como combustível. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 6922 Carvão vegetal determinação da massa específica (densidade a granel), Out/1981. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 8112 Carvão vegetal análise imediata, Out/1986. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 8633 Carvão vegetal determinação do poder calorífico, Out/1984. BRASCEP ENGENHARIA LTDA. Biomassa florestal. Caracterização e Potencial, v. 1. GOMIDE, R. Estequiometria industrial. 3.ed. São Paulo: p. JEN, L. C. Estequiometria das reações de combustão. In: Curso de Combustão Industrial. São Paulo: AET IPT, p NOGUEIRA, L. A. H.; LORA, E. E. S. Dendroenergia: fundamentos e aplicações. 2.ed. Rio de Janeiro: Interciência, p. QUIRINO, W. F. Utilização energética de resíduos vegetais. Laboratório de produtos florestais LPF/ IBAMA. Módulo do Curso Capacitação de agentes multiplicadores em valorização da madeira e dos resíduos vegetais, 2. STAISS, C.; PEREIRA, H. Biomassa energia renovável na agricultura e no sector florestal. AGROS, n. 1, p. 21-3, 21. PINHEIRO, G.; RENDEIRO, G.; PINHO J. Resíduos do setor madeireiro: aproveitamento energético. Biomassa & Energia, v. 1, n. 2, p , 24. Biomassa & Energia, v. 2, n. 2, p , 25