ARTIGO COM APRESENTAÇÃO ORAL - BIOMASSA PARA ENERGIA CARVÃO DE RESÍDUOS DE EXPLORAÇÃO FLORESTAL PRODUZIDOS EM FORNO CILÍNDRICO METÁLICO

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1 ARTIGO COM APRESENTAÇÃO ORAL - BIOMASSA PARA ENERGIA CARVÃO DE RESÍDUOS DE EXPLORAÇÃO FLORESTAL PRODUZIDOS EM FORNO CILÍNDRICO METÁLICO ANTONIO OLIVEIRA DE ARAUJO LEAL, JHONATAN SANTO BEZERRA Denes de Souza Barros (Orientador - UFRA) 1, Antonio Oliveira de Araujo Leal 2 (Graduando UFRA), Ariene Oliveira Pereira 3 (Graduando UFRA), Sueo Numazawa 4 (Orientador UFRA), Jhonatan Santo Bezerra 5 (Graduando UFRA). Resumo A exploração florestal gera uma grande quantidade de resíduos que são abandonados na floresta. E uma alternativa econômica a esse desperdício é sua transformação em carvão vegetal. O objetivo do presente trabalho foi avaliar as características físicas, químicas e mecânicas (friabilidade) do carvão de resíduos de exploração florestal. Os resíduos foram carbonizados em 10 fornos metálicos (amostras) pertencentes à empresa CIKEL Brasil Madeiras LTDA, no município de Paragominas/PA. Os valores médios encontrados para densidade básica e poder calorífico superior foram de 0,42 g cm -3 e 7 187,08 Kcal Kg -1, respectivamente. As taxas médias dos teores de cinzas, materiais voláteis e de carbono fixo foram 3,16, 20,54 e 76,10%, respectivamente. O teste de friabilidade indicou haver uma perda média de 29,05%. Os resultados demonstraram que os resíduos de exploração florestal podem ser utilizados para produção de carvão vegetal, obtendo excelente qualidade para geração de energia. Para uso em que se exige elevado teor de carbono fixo, o carvão pode ser indicado. No entanto, se o teor de cinzas for um fator limitante, esse material possui restrições. 1 Professor de Silvicultura do Departamento de Energia e Biomassa da UFRA. denes.barros@ufra.edu.br 2 Acadêmico do curso de engenharia Florestal ano do curso de graduação em 2013 da UFRA. tonnyxt600leal@gmail.com 3 Acadêmica do curso de engenharia Florestal ano do curso de graduação em 2012 da UFRA. ariene.oliveira@yahoo.com.br. 4 Professor de Fitoenergia do Departamento de Instituto de Ciências Agrarias da UFRA. sueo.numazawa@gmail.com. 5 Acadêmico do curso de engenharia Florestal ano do curso de graduação em 2013 da UFRA. jhonatan_santo@live.com

2 Entretanto, em devido à alta friabilidade apresentada pelo carvão, é desaconselhável o seu transporte a longas distâncias. Palavras-chave: energia renovável, biomassa vegetal, floresta amazônica. INTRODUÇÃO. O principal produto da floresta, ainda hoje, é a madeira. Dentre os produtos derivados da madeira, o carvão vegetal ocupa uma posição de destaque na geração de energia, principalmente devido ao caráter renovável de sua matéria-prima. Sendo insumo amplamente utilizado pelas siderurgias brasileiras como agente redutor, principalmente, por se tratar de uma matéria-prima pouco poluente, quando comparada aos combustíveis fósseis, sendo atualmente muito empregado na produção de ferro-gusa, aço e ferro-liga (ARRUDA, 2005), contribuindo significativamente para o desenvolvimento das indústrias de base florestal no Brasil (ABRAF, 2012; COELHO JUNIOR et al., 2006). Segundo dados da ABRAF (2012), a demanda de madeira em tora, somente da silvicultura, para produção de carvão vegetal no ano de 2011 foi de aproximadamente 17 milhões de m³. No entanto, o que se vê é uma crescente diminuição da oferta de carvão vegetal de origem natural. Este fato é decorrente devido às serrarias e indústrias produtoras de biomassa estarem cada vez mais distantes dos grandes centros de consumo de carvão, o que torna seu transporte economicamente inviável (AMS, 2009). Diante desse novo cenário, as empresas produtoras de ferro gusa da região de Carajás não têm alternativa que não seja a expansão de seus plantios de florestas energéticas, ou buscar novas alternativas viáveis e legalmente aceitas pelos órgãos ambientais. Nesse contexto se inserem os resíduos de madeira deixados na floresta após a exploração florestal. Os resíduos gerados pela atividade de exploração florestal na Amazônia, especialmente os gerados pela exploração madeireira de impacto reduzido, são fontes de matéria-prima que poderiam ser utilizados para diversos fins. Esses resíduos consistem de galhadas de copas, árvores quebradas acidentalmente (ou não) e outros tipos de materiais que ficam na floresta sem uso definido e que podem ser aproveitados para fins energéticos (BARROS, 2009). Há, portanto, a necessidade de se buscar conhecimentos sobre o comportamento da carbonização de resíduos florestais de espécies nativas da região amazônica, assim como

3 sobre os métodos de controle de qualidade, em campo, que permitam caracterizar as propriedades do carvão vegetal, considerando o grande desperdício dos mesmos (SILVA et al., 2007). A utilização de resíduos vegetais para fins energéticos já é uma realidade, porém, para afirmar e indicar um determinado material como bom gerador de energia, é necessário caracterizá-lo através de análises químicas e da determinação de seu valor calórico (PAULA et al., 2011). Vale et al. (2001), destacam que, de maneira geral, a qualidade do carvão vegetal a ser produzido depende basicamente da espécie madeireira e do método ou processo de carbonização utilizado. Dentre as características químicas mais importantes inerentes para uso siderúrgico, destacam-se o teor de cinzas, teor de materiais voláteis e teor de carbono fixo, que juntas são denominadas de análise química imediata. A resistência mecânica do carvão (friabilidade) é outra característica de suma importância no emprego desta matéria-prima em siderurgia (BRITO, 1993). A alta friabilidade do carvão vegetal causa preocupação no seu processo de fabricação, transporte, estocagem, peneiramento e, principalmente, aos seus consumidores finais (FONTES, 1989). Vale et al. (2002), destacam que vários parâmetros são utilizados para avaliar a qualidade do carvão vegetal, com grande destaque para o poder calorífico superior que é obtido através de bomba calorimétrica. Define-se poder calorífico de um combustível como o número de calorias liberadas na combustão completa de uma unidade de massa do combustível, expresso em kcal/kg para combustíveis sólidos e líquidos (FONTES, 1989). O sistema de exploração florestal de impacto reduzido, mesmo com suas atividades bem planejadas, produz grande quantidade de resíduos lenhosos, provenientes de galhos das árvores colhidas, de árvores quebradas ou tombadas, além de raízes tabulares e aparas de toras ocas ou rachadas. Este material é impróprio para corte na serra e, portanto, é descartado e fica na floresta. OBJETIVOS Avaliar as características físicas, químicas e mecânicas de resíduos de exploração florestal carbonizados em forno metálico. METODOLOGIA

4 Esta pesquisa foi realizada na Fazenda Rio Capim, pertencente à empresa CIKEL Brasil Madeiras Ltda, localizada no município de Paragominas PA, tendo como coordenadas geográficas de Latitude 03º a 03º S e Longitude de 48º a 48º W a oeste de Greenwich. Várias espécies arbóreas são colhidas pela empresa, destacando-se Manilkara huberi (Ducke) Chevalier (maçaranduba), Dinizia excelsa Ducke (angelim vermelho), Lecythis pisonis Cambess.(jarana), Hymenaea courbaril L. (jatobá), sendo todas estas madeiras de densidade altas (acima de 850 kg.m-3) e, representando as madeiras de densidade média a baixa densidade temos Euxylophora paraensis Huber (pau-amarelo), Parkia sp. (faveira), Protium spruceanum Engl.(breu) (PAULA & ALVES, 2010), ou seja uma mistura de espécies e, consequentemente, de densidades. Os resíduos lenhosos de todas as espécies exploradas, depois de colhidos no interior da floresta, segundo o sistema de colheita de resíduos utilizado pela empresa, foram transportados e estocados próximo às centrais de carbonização para facilitar o enchimento nos fornos. A carbonização foi realizada em forno metálico cilíndrico vertical, utilizado pela empresa, com capacidade volumétrica nominal de 4,58 m³ (Figura 1). Neste estudo, foram utilizados 10 (dez) fornos (amostras), com ciclo de carbonização de 16 (dezesseis) horas. Os diâmetros dos resíduos carbonizados variavam de 05 a 30 cm, com aproximadamente 1 m de comprimento. Esta é uma padronização adotada pela empresa com objetivo de obter maior ergonomia na operação, preparo, transporte e no enchimento dos fornos. Quando os diâmetros passavam desse padrão, os mesmos eram seccionados para facilitar a operação de enchimento dos fornos.

5 Figura 1: Forno cilíndrico metálico utilizado para carbonizar resíduos florestais na Fazenda Rio Capim, Paragominas, PA. a) alocação do forno cilíndrico metálico na base em chamas; b) carbonização de resíduos de florestais em forno cilíndrico metálico. Figure 1: Kil metal furnace used for cherring forest wast in the farm Rio Capim in the city of Paragominas states of Pará. a) put of kiln metal furnace on base in flames; b) carbonization of forest waste in metallic cylindrical kiln. Para a determinação das propriedades físicas, químicas e mecânicas do carvão, coletou-se um saco (amostra) de 60 (sessenta) litros de carvão de cada forno, que foram encaminhadas para análise ao Laboratório de Tecnologia de Produtos Florestais (LTPF) da Universidade Federal Rural da Amazônia. As propriedades físicas referem-se à determinação da densidade básica (Db) (equação 01) e do Poder calorífico superior (PCS) do carvão vegetal norma adaptada MB 1269/79 da ABNT que trata da densidade da madeira e norma D 250/50 da ASTM (American Society for Testing and Material) utilizando-se uma bomba calorimétrica adiabática (Oxigen Bomb Calorimeter), respectivamente. Equação 1: Db P V Onde: Db densidade básica (g.cm-3); P peso a 0% de umidade (g); e Vol volume do carvão saturado (cm³). As propriedades químicas do carvão, também chamada de análise química imediata, foram determinadas como as porcentagens do teor de cinzas TCi (Equação 2), teor de materiais voláteis Tv (Equação 3) e do Teor de Carbono Fixo TCF (Equação 4), contidos no carvão, tendo como base a Norma D1762/64 da ASTM. O material utilizado foi carvão passado em peneira, com 25 mesh e retido na de 45 mesh, obtido por processo mecânico. Pci Equação 2: TCi x100 Pc. s Pc. s Pc. cal. Equação 3: TMV x100 Pc. s Equação 4: TCF 100 TMV TCi

6 Onde: TCi Teor de Cinzas; TMV Teor de matérias Voláteis; TCF Teor de Carbono Fixo; Pcs peso do carvão seco (0% umidade); Pc.cal. peso do carvão calcinado a 950 C; Pci peso de cinzas em gramas. A resistência mecânica foi obtida através do teste de tamboramento ou friabilidade do carvão (equação 05), tendo como base a Norma MB 1375/80 da ABNT. P. i P. r Equação 5: F x100 P. i Onde: F Friabilidade do carvão em %; P.i - Peso inicial do carvão (Kg); P.r - Peso remanescente do carvão após o tamboramento (Kg). A análise estatística descritiva obedeceu ao proposto por Sanqueta et al. (2006), abrangendo a determinação dos parâmetros segundo a metodologia apresentada para densidade básica (Db), poder calorífico superior (PCS), teor de cinzas (TCi), teor de materiais voláteis (TMV), teor de carbono fixo (TCF) e friabilidade (F) do carvão vegetal de resíduos de exploração florestal produzidos em forno metálico RESULTADOS Na tabela 1 estão apresentados os resultados da estatística descritiva referente à densidade básica, poder calorífico superior, teor de cinzas, teor de materiais voláteis, teor de carbono fixo e friabilidade do carvão vegetal de resíduos de exploração florestal produzidos em forno metálico. A média encontrada para densidade básica do carvão de resíduos de exploração florestal foi de 0,42 g cm-³. Este valor pode ser considerado elevado para o carvão vegetal, uma vez que o valor médio encontrado para Eucalyptos urophylla estudado por Brito, Tomazello Filho e Salgado (1987) e seis clones de eucalyptus estudados por Trugilho et al. (2005) foi de 0,249 g cm-³ e 0,31 g cm-3, respectivamente. Pastore; Okino; Pastore Junior, (1989) e Fontes (1989) verificaram que os parâmetros que atuam na densidade do carvão são a densidade da madeira que lhe deu origem, a temperatura de carbonização e a granulometria do carvão. Estudo realizado por Vale et al. (2001) mostrou que a densidade do carvão será maior quanto maior for a densidade da madeira. Pode-se inferir que, provavelmente, a elevada densidade básica encontrada no carvão de resíduos de exploração florestal foi de devido à alta densidade das espécies que constituíram os resíduos de exploração utilizados neste estudo, nas

7 suas devidas proporções. Alem disso, quanto maior for a densidade, menores os custos de transporte e de armazenamento do carvão e, simultaneamente, melhora o aproveitamento do volume útil do alto-forno siderúrgico, e isso permite o aumento da sua produtividade em determinado espaço de tempo (BOTREL, et al., 2007). Tabela 1 - Estatística descritiva, valores médios, desvio padrão (Dp) e coeficiente de variação (CV%) da densidade básica (Db), poder calorífico superior (PCS), teor de cinzas (TCi), teor de materiais voláteis (TMV), teor de carbono fixo (TCF) e friabilidade (F) do carvão vegetal de resíduos de exploração florestal produzidos em forno cilíndrico metálico no município de Paragominas/PA. Table 1 Statistics description, medium value, standart diversion (SD) and variation of coefficient (VC%) of basic density (BD) gross colorific (GC) ashes, volatile material(vm), fixed carbon contents (FCC) and friability (F) of the forest residues of exploration charcoal produced in cylindrical metal furnace in the city of Paragominas state Pará. Parâmetros Média Dp CV% Db (g.cm -3 ) 0,42 0,048 11,58 PCS (Kcal.Kg -1 ) 7.187,08 564, TCi% 3,16 1,04 32,87 TMV% 20,74 4,04 19,46 TCF% 76,1 3,33 4,39 F% 29,05 3,95 19,7 Silva et al. (2007) avaliando carvão de resíduos da indústria madeireira de espécies amazônicas, carbonizados em fornos de alvenaria, encontraram densidade básica de 0,55, 0,56 e 0,38 g.cm-³ para as espécies Maçaranduba, Sapucaia e Timborana, respectivamente, obtendo média de 0,49 g.cm-³, superior ao encontrado no presente trabalho. Estas diferenças podem ser explicadas pelo fato de que os resíduos de exploração florestal são de uma fonte altamente heterogênea, ou seja, várias espécies de madeiras com densidades diferentes, tanto de espécies colhidas pela empresa, quanto aquelas que são derrubados em consequência da exploração florestal e que também são aproveitadas pela empresa para a produção de carvão. O poder calorífico superior (PCS) médio do carvão vegetal de resíduos de exploração florestal foi de 7.187,08 Kcal Kg-¹ (Tabela 1). Segundo Paula et al. (2011) e Fontes (1989), destacam a grande importância do poder calorífico, principalmente quando se pensa na utilização do carvão como fonte de energia.

8 Este resultado é superior aos resultados encontrados por Silva et al. (2007), que utilizaram carvão de resíduos de indústria madeireira, carbonizados por sete dias, foram de 5.528,53, 6.579,62 e 6.556,92 Kcal Kg-1 para as espécies maçaranduba, sapucaia e timborana, respectivamente. O resultado encontrado está próximos ao obtido por Vale et al. (2002), que foi de Kcal Kg-1, quando carbonizou madeira de Eucalyptus grandis a 500 C. Esta última comparação é importante devido o Eucalipto ser uma espécie com vasta utilização no Brasil (SILVA, 2009; ABRAF, 2012), principalmente por apresentar alta produtividade e plasticidade e ser amplamente utilizado na produção de carvão vegetal para uso em siderúrgicas. O teor de cinzas (TCi) atingiu uma taxa de 3,16% (Tabela 1). É importante destacar que esta propriedade foi a que apresentou maior variabilidade em relação à sua média representativa, com CV de 32,87%. Este resultado pode ser atribuído, também, ao fato dos resíduos de exploração florestal serem oriundos de diversas espécies de madeiras e de diferentes partes da árvore (copas, galhos, toras ocas, raízes tabulares) que apresentam, consequentemente, diferentes constituintes na sua composição química (BRAND, 2014). Silva et al (2007) e Numazawa (1986), observaram que o fator espécie causou diferenças altamente significativas no teor de cinzas, quando analisaram resíduos florestais de espécies amazônicas. Brand (2014), observou que o teor de cinzas era maior em madeiras que possuíam a casca da árvore na sua O Teor de Materiais Voláteis (TMV) encontrado pelo presente trabalho (20,74%), conforme Tabela 1, é inferior ao encontrado por Silva et al. (2007), que registraram 23,94% para espécie Sapucaia e 31,47% para espécie Timborana. No entanto, o TMV encontrado no presente trabalho é superior ao encontrado por Santiago e Andrade (2005), quando carbonizou resíduos de madeira de eucalipto a 600 C, obtendo média de 9,7%. Vale et al. (2002), analisando carvão de Eucalyptus grandis, demonstram que o TMV diminui com o aumento da temperatura de carbonização, variando de 44,83 a 3,25%, quando produzido a temperatura de 300 e 1000 C, respectivamente. O teor de carbono fixo (TCF) do carvão verificado no presente estudo foi de 76,10% (Tabela 1), superior ao encontrado por Numazawa (1986), para carvão de três espécies amazônicas a 400 C em forno mufla (69,20%). Este autor observou que o TCF aumentou em 31% quando a temperatura final de carbonização passou de 400 C para 800 C. Santiago e Andrade (2005), analisando resíduos do processamento mecânico de Eucalypto sp, observaram que o TCF atingiu a 400 C 72,87%, aumentando 21,4% quando a temperatura passou para 600%. Essas duas pesquisas sugerem que o carvão vegetal de resíduos de

9 exploração florestal produzidos em fornos metálicos atingem temperaturas acima de 400 C, devido ao seu alto TCF. A friabilidade (F) do carvão vegetal de resíduos de exploração florestal foi de 29,05% (Tabela 1), valor considerado muito friável pelo Centre Technique Forestier Tropical - CTFT (1972). Isto significa dizer que o carvão se quebrará facilmente durante as operações de carregamento, transporte, manuseio, o que poderá gerar perdas no carvão sob a forma de pó, por exemplo. Outro aspecto importante da produção de carvão vegetal em fornos cilíndricos metálicos é com relação à velocidade com que se faz a carbonização dos resíduos de exploração florestal. A empresa produz carvão com ciclo de carbonização (enchimento, carbonização e descarregamento) de 16 (dezesseis) horas que, provavelmente, poderia influenciar na friabilidade do carvão. Esta influência é descrita por Fontes (1989), na qual um carvão produzido em carbonização rápida (3,4 C min-1) é muito mais friável que o carvão produzido em carbonização lenta (0,1 C min-1). A alta friabilidade pode comprometer a comercialização do carvão produzido pela empresa no forno metálico, devido às grandes distâncias dos pólos madeireiros em relação aos pólos siderúrgicos de Marabá (no Estado do Pará) e Carajás (Estados do Pará e Maranhão), que poderá gerar grande quantidade de finos e, por conseguinte, grande perda de carvão. CONCLUSÕES. Os resíduos de exploração florestal podem ser utilizados para produção de carvão vegetal em forno cilíndrico metálico obtendo excelente qualidade para serem utilizados na geração de energia; Devido à alta friabilidade do carvão de resíduos de exploração florestal é desaconselhável o seu transporte a longas distâncias; Para uso em que se exige elevado teor de carbono fixo, o carvão de resíduos de exploração florestal é indicado desde que o teor de cinzas contidos no carvão não seja fator limitante. REFERENCIAS

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