ARTIGO COM APRESENTAÇÃO BANNER - BIOMASSA PARA ENERGIA ÍNDICES TÉCNICOS DE CONVERSÃO DE RESÍDUOS DE EXPLORAÇÃO FLORESTAL EM CARVÃO VEGETAL

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1 ARTIGO COM APRESENTAÇÃO BANNER - BIOMASSA PARA ENERGIA ÍNDICES TÉCNICOS DE CONVERSÃO DE RESÍDUOS DE EXPLORAÇÃO FLORESTAL EM CARVÃO VEGETAL FRANCISCO VITALINO DE GOES Denes de Souza Barros (Orientador - UFRA) 1, Francisco Vitalino de Goes 2 (GRADUANDO UFRA), Ariene Oliveira Pereira 3 (GRADUANDO UFRA), Sueo Numazawa 4 (Orientador UFRA), Paulo Luiz Contente de Barros 5 (Orientador UFRA). Resumo Objetivou-se, com o presente trabalho, determinar índices de conversão de resíduos de exploração florestal em carvão vegetal produzidos em forno de alvenaria e forno cilíndrico metálico vertical, na Fazenda Rio Capim, município de Paragominas, PA. Foram determinados o índice de enchimento do forno IEF: razão entre o volume de resíduos (m³) e o volume nominal do forno em m³ - VRm³/VNFm³; o índice de conversão volumétrica: razão entre o volume de resíduos e o volume de carvão ICV: VRm³ e st/vcmdc; e o índice de conversão em peso ICP: razão entre o peso do carvão e o volume dos resíduos PCt/VRm³ e st. A comparação estatística para os dois sistemas de carbonização foi realizada pelo teste t de Student. O sistema de produção de carvão vegetal em forno de alvenaria proporciona melhores índices de enchimento do forno; de conversão volumétrica; e de conversão em peso, quando comparado ao sistema de produção em forno metálico. Os índices de conversão volumétrica de resíduos em carvão (m³/mdc) nos dois sistemas de carbonização estudados 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. vitalino_fran@hotmail.com 3 Acadêmico 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 Professor de Inventario Florestal do Departamento de Instituto de Ciências Agrarias da UFRA. paulo.contente@ufra.edu.br.

2 diferem consideravelmente em relação ao índice preconizado pela Resolução 411/MMA, indicando a necessidade de um menor volume (m³ ou st) de resíduos de exploração florestal para se produzir um metro de carvão vegetal (mdc). Palavras-chave: carbonização, bioenergia, Paragominas. INTRODUÇÃO A exploração florestal em florestas nativas, mesmo sendo de impacto reduzido, gera grande quantidade de resíduos que podem ser aproveitados por diversas formas e dentre essas possibilidades, recebe destaque a da produção de carvão vegetal. Esses resíduos são originados de copas de árvores (galhos lenhosos), raízes tabulares (sapopemas) assim como de cascas e árvores com diâmetros inferiores ao limite exigido pela indústria (BALLONI et al., 1980; BRAND, 2010) e que podem ser utilizados para fins energéticos. Depois de colhidos dentro da floresta, esses resíduos são estocados próximos as centrais de carbonização para secagem ao ar livre e futura conversão em carvão vegetal. E dentre as relações de conversão em carvão vegetal tem-se o índice de conversão volumétrica (ICV), que expressa à razão entre volume de madeira (st ou m³) e o volume de carvão produzido (metro de carvão - mdc). A representação usual em carbonização para esse tipo de relação pode ser da seguinte forma: 1,8:1,0, ou seja, são necessários 1,8 st de lenha para produzir um mdc de carvão (CAMPOS; LEITE, 2009), ou seja, uma redução de 45% do volume inicial de madeira, após a carbonização. No entanto, as autorizações dadas pela Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Sustentabilidade do Estado do Pará (SEMA-PA) para colheita de resíduos, são baseadas na Resolução 411/MMA, de 6 de maio de 2009, que em seu Anexo II, estabelece uma relação de 3 st de resíduos lenhosos para um mdc (BRASIL, 2009). Esta relação depende da técnica utilizada no processo de conversão de resíduos, podendo chegar a um valor menor do que a preconizada pela legislação atual vigente. Este fato tem ocasionado sérios problemas para as empresas envolvidas nessa linha de produção, pois muitas vezes elas se deparam com

3 situações em que a quantidade de carvão produzido é superior à quantidade de carvão autorizado pelo órgão ambiental competente. O carvão vegetal é um insumo amplamente utilizado como agente redutor pela siderurgia brasileira, principalmente, por se tratar de uma matéria-prima renovável e pouco poluente, quando comparada aos combustíveis fósseis, sendo empregado na produção de ferro-gusa (BRITO, 1993). Em 2013, o consumo de carvão vegetal no Brasil foi de 5,9 milhões de toneladas, com 24% desse total proveniente de madeiras de áreas de manejo florestal sustentável regularizadas (IBÁ, 2014). No Estado do Pará, no ano 2014, a produção de carvão vegetal gerou uma receita de 137,9 milhões de reais atingindo de 5,38% de participação no comércio de produtos e subprodutos florestais do estado (SEMA, 2015). Há, portanto, a necessidade de se buscar conhecimentos sobre o comportamento na carbonização de resíduos de espécies nativas da região amazônica, deixados na floresta após a exploração, permitindo a determinação das relações de medidas e índices do processo pirolítico (SILVA et al., 2007). OBJETIVOS O presente trabalho teve como objetivo determinar índices técnicos de conversão de resíduos de exploração florestal em carvão vegetal, em fornos de alvenaria e cilíndricos metálicos vertical, na Fazenda Rio Capim, município de Paragominas, PA. METODOLOGIA Esta pesquisa foi realizada na Unidade de Manejo Florestal Fazenda Rio Capim (03º 39 33,21 S e 48º 49 59,45 W), pertencente à empresa Cikel Brasil Verde Madeiras Ltda., localizada no município de Paragominas PA. Foram utilizados resíduos provenientes da exploração florestal realizada na área, devidamente autorizada pelo órgão ambiental do estado, como sejam: galhadas das árvores extraídas e de árvores quebradas ou tombadas; raízes tabulares (sapopemas); e aparas de toras ocas ou rachadas, que são impróprias para corte na serra e, portanto, são deixadas na floresta. Depois de colhidos no interior da floresta, segundo o sistema de colheita desenvolvido pela empresa, os resíduos foram transportados e estocados próximos das centrais de carbonização, para facilitar o enchimento nos fornos. As carbonizações foram realizadas em dois tipos de fornos. O primeiro é de alvenaria, também chamado pela empresa de forno raboquente ou tipo japonês, que possui formato semi-esférico com volume nominal de 16,8 m³, e

4 ciclo de carbonização de 7 dias. O segundo é o forno cilíndrico metálico vertical, constituído de uma câmara de carbonização e um invólucro isolante, com capacidade volumétrica nominal de 4,58 m³. Neste estudo, foram utilizados 10 (dez) fornos, com ciclo de carbonização de 16 horas para cada sistema de carbonização, totalizando 20 fornos (amostras) analisados. Inicialmente, os resíduos de madeira foram cortados para a obtenção das medidas de diâmetro e comprimento, visando determinar o volume geométrico das peças por meio das equações 1, 2 e 3, apresentadas mais adiante. Em seguida, preparou-se uma grade com capacidade interna de 1m³, onde foram empilhados os resíduos para obtenção do volume estéreo. Os diâmetros dos resíduos carbonizados variavam de 5 a 30 cm, com aproximadamente 1 m de comprimento, obedecendo a padronização adotada pela empresa com objetivo de obter maior ergonomia nas operações de corte, transporte e enchimento dos fornos. Quando os diâmetros ultrapassavam esse padrão, os mesmos eram seccionados para facilitar a operação de carregamento e enchimento dos fornos. ( g1 g V 2). L (equação 1); 2 g g ( D /100) (equação 2); 4 2.( d /100) (equação 3). 4 Onde: V - volume geométrico do resíduo (m 3 ); D - diâmetro da extremidade maior (cm); d - diâmetro da extremidade menor (cm); L - comprimento do resíduo (m); g1 - área transversal da extremidade maior (m 2 ); g2 - área transversal da extremidade menor (m 2 ). Índice de enchimento de forno O índice de enchimento do forno (IEF) consistiu na relação entre o volume dos resíduos enfornados (m³) e o volume nominal do forno (m³), conforme a equação 4, abaixo. VR IEF (equação 4). VNF

5 Onde: IFE Índice de enchimento do forno; VR - Volume de resíduos, em m³ ou st; VNF - Volume nominal do forno (m³). Índice de conversão volumétrica O índice de conversão volumétrica (ICV) do processo de conversão dos resíduos em carvão vegetal, consistiu na relação entre o volume dos resíduos enfornados (m³) e o volume do carvão produzido (mdc), conforme a equação 5, abaixo. VR ICV (equação 5). VC Onde: ICV Índice de conversão volumétrica; VR - Volume de resíduos, em m³ ou st; VC - Volume do carvão, em (mdc). Índice de conversão em peso O índice de conversão em peso (ICP) consistiu na relação entre o peso de carvão obtido (t) e o volume de resíduos enfornados (VR em st ou m³), calculado através da equação 6, abaixo. PC ICP (equação 6). VR Onde: ICP - índice de conversão em peso; PC - peso do carvão obtido, t.; VR - volume dos resíduos enfornados, (m³ ou st.) Os dados foram submetidos ao Teste t para duas amostras independentes, para comparação dos sistemas de carbonização, utilizando-se o programa BioEstat 4.0 (AYRES et al., 2005). Como condição para realização deste teste estatístico, foi feito o teste de normalidade de Shapiro-Wilk (PIMENTEL-GOMES; GARCIA, 2002). RESULTADOS Índice de enchimento do forno Na determinação do índice de enchimento de forno (IEF), que de forma prática representa o quanto de volume de resíduos efetivamente enfornado, verificou-se que o carregamento de resíduos florestais deixa em média 31% de vazio no forno de alvenaria e 38% de vazio no forno metálico. As médias observadas comparadas pelo teste t de Student se apresentaram diferentes estatisticamente ao nível de 95% de probabilidade (Tabela 1).

6 Estas diferenças podem estar relacionadas, principalmente, à forma geométrica particular de cada tipo de forno, tendo em vista que o forno de alvenaria foi construído no formato semiesférico e o forno metálico construído de forma cilíndrica. Outro fator que pode estar influenciando o IEF, é a tortuosidade dos pedaços de resíduos florestais que foram utilizados para carbonização nos diferentes sistemas, que por sua vez, podem estar influenciando nos resultados, gerando espaços vazios. Tabela 1. Comparação de médias da relação índice de enchimento do forno (IEF) pelo teste t de Student (95% de probabilidade) entre o forno metálico e o forno de alvenaria. Tipo de Forno IEF (VR / VNF) Média (%) Desvio Padrão Min. e Máx. Forno Alvenaria 0,69 a ±0,015 0,67 e 0,72 Forno Metálico 0,62 b ±0,021 0,59 e 0,65 Onde: VRm³: Volume de resíduos, em m³; VNFm³; Volume nominal do forno, em m³. As letras diferentes (a, b) significam diferença significativa (p<0,5). Índice de conversão volumétrica O índice de conversão volumétrica (ICV) de resíduos em carvão (m³/mdc), conforme se pode observar na Tabela 2, demonstra que são necessários em média, 0,99 m³ de resíduos de exploração florestal para produzir um mdc no forno de alvenaria. E no forno metálico são necessários em média, 1,15 m³ de resíduo para produção de um mdc. O teste t de Student revelou que estes resultados são estatisticamente diferentes ao nível de 95% de probabilidade, ou seja, o sistema de carbonização por meio do forno de alvenaria apresenta melhor ICV para a relação VRm³/VCmdc, comparado ao forno metálico, o que comprova que o sistema de carbonização interfere diretamente na produção de carvão de resíduos de exploração florestal. Possivelmente, este fato está associado a uma maior volatilização ocorrida no forno metálico, tendo em vista que o ciclo de carbonização que neste tipo de forno é de apenas 12 (doze) horas, enquanto que no forno de alvenaria o ciclo de carbonização é de 7 (sete) dias. Vital et al (2014) carbonizando madeiras de Eucaliptos em forno experimental, a uma temperatura de 450 C, obteve média de 1,6 m³ para produzir 1 m³ de carvão, resultado este inferior ao encontrado pelo presente trabalho. Tabela 2. Comparação das médias dos índices de conversão volumétricas (ICV) pelo teste t de Student (95% de probabilidade) entre o forno metálico e forno de alvenaria.

7 Tipo de Forno ICV VRm³ / VC VRst / VC Forno Alvenaria 0,99 a 1,29 a Forno Metálico 1,15 b 1,59 b Onde: VRm³: Volume de resíduos m³; VC: volume de carvão em mdc)); VRst: volume de resíduos em metro estere. As médias com letras diferentes (a, b) na coluna indicam diferença significativa entre si a 5% de probabilidade. Analisando o ICV de resíduos em carvão vegetal, constatou-se que no forno de alvenaria são necessários 1,29 st de resíduos de exploração florestal para produzir 1,00 mdc. No forno metálico, registrou-se o volume de 1,59 st de resíduos para produzir 1,0 mdc, ou seja, são necessários 23,25% a mais de volume de madeira para produção de 1 mdc no forno metálico. Observa-se na Tabela 2 que houve diferenças significativas entre os dois sistemas de carbonização pelo teste t de Student ao nível de 95% de probabilidade. Estes resultados diferem do que é preconizado por Vital et al (2014). Estes autores descrevem que durante na carbonização de madeiras há redução de 30 a 50% do volume inicial. Estando apenas coerente com o resultado encontrado para o forno metálico, que obteve uma redução 37% do seu volume inicial. No que concerne à produção de carvão vegetal, o que se deseja de um sistema de carbonização é que ele apresente menor razão entre o volume de matéria-prima por volume de carvão. E nesse quesito o forno de alvenaria apresentou melhores resultados quando comparado com o forno cilíndrico metálico. Os resultados encontrados pelo presente trabalho diferem do que foi estabelecido pela Resolução 411 do Ministério do meio Ambiente, de 6 de maio de 2009 (BRASIL, 2009). Nesta lei é estabelecida, uma tabela de coeficiente volumétrico, onde define um índice de conversão volumétrico de 3,0:1,0, ou seja, são necessários três (3) st de resíduos florestais para gerar um mdc. O presente trabalho demonstrou que essa relação depende do sistema de produção empregado pela empresa produtora de carvão, em que sistemas diferentes possuem índices de conversão volumétricos (ICV) distintos e diferentes do que é preconizado na lei ambiental vigente. Este fato acarreta, muitas vezes, sobra de biomassa no estoque, devido à produção alcançada pela empresa ser maior que a conversão adotada pelo órgão ambiental. Isso pode levar a perdas de material por biodegradação, pois será necessário solicitar uma nova autorização para utilização da madeira. Considerando-se o excesso de burocracia e a

8 morosidade do serviço público, demandando-se mais tempo para que se possa utilizar a biomassa legalmente, notadamente no estado do Pará. Índice de conversão em peso Na tabela 3 apresentam-se os resultados do índice de conversão em peso (ICP) dos sistemas de carbonização avaliados. Pode-se observa que no forno metálico, em média, um m³ de resíduos carbonizados rende 0,166 t de carvão, enquanto no forno de alvenaria rende 0,243 t de carvão, portanto 46,38% maior. O teste t de Student indicou diferença significativa ao nível de 95% de probabilidade entre as médias obtidas. Da mesma forma, no forno metálico verificou-se que, em média, um st de resíduos florestais rende 0,120 t de carvão, e no forno de alvenaria 0,185 t. A comparação das médias pelo teste t de Student indicou diferença significativa ao nível de 5% de probabilidade entre as médias. Tabela 3. Comparação das médias dos índices de conversão em peso (ICP) pelo teste t de Student (95% de probabilidade) entre o forno metálico e forno de alvenaria. ICP Tipo de Forno PC/VRm³ PC/VRst Forno Alvenaria 0,243 a 0,185 a Forno Metálico 0,166 b 0,120 b Onde: PC: Peso do carvão em t; VRm³: Volume de resíduos, m³; VRst: volume de resíduos em metro estere. As médias seguidas pela mesma letra na coluna não diferem entre si a 5% de probabilidade. Nogueira e Lora (2003) comentam que o balanço típico em sistemas tradicionais (fornos de alvenaria) e em sistemas melhor operados (fornos metálicos, entre outros) são de 1 m³ de lenha produzindo em média 0,165 e 0,225 t de carvão, respectivamente. Observa-se que no presente trabalho inverte-se esta relação, sendo o forno de alvenaria (o sistema tradicional) o que teve melhor balanço para carbonização de madeiras de resíduos florestais em carvão vegetal. Os autores supracitados justificam que esta relação de produtividade é afetada pelas condições de operação, projeto do forno e umidade da madeira. Os resultados apresentados nestas últimas relações são de grande importância para a empresa produtora de carvão vegetal, tendo em vista que se ela passar a comercializar o seu produto por peso (t), seja por imposição da legislação específica para o controle de qualidade

9 do carvão ou pela imposição da indústria consumidora desta matéria-prima, os parâmetros já estarão estabelecidos. CONCLUSÕES O sistema de produção de carvão vegetal em forno de alvenaria proporciona melhores índices de enchimento do forno; de conversão volumétrica, e de conversão em peso, quando comparado ao sistema de produção em forno metálico. Os índices de conversão volumétrica de resíduos em carvão (m³/mdc) nos dois sistemas de carbonização estudados (forno de alvenaria ou rabo quente e forno metálico) diferem consideravelmente em relação ao índice preconizado pela Resolução 411/MMA, indicando a necessidade de um menor volume (m³ ou st) de resíduos de exploração florestal para se produzir carvão vegetal (mdc). REFERENCIAS AYRES, Manuel; et al. BioEstat: Aplicações estatísticas nas áreas das ciências Bio- Médicas. Belém: Imprensa Oficial do Estado do Pará, 2005, 324 p. BALLONI, Edson Antonio; MIGLIORINI, Antonio José.; BRITO, José Otávi. Produção de energia através de florestas de rápido crescimento. IPEF, (Circular Técnica, 103). BRAND, Martha Andreia. Energia de biomassa florestal. Rio de Janeiro: Interciência, p. BRASIL. Resolução N 411, de 06 de maio de Diário Oficial da República Federativa do Brasil, Poder Executivo, DF, nº 86, 08 de maio, 2009, p BRITO, José Otávio. Reflexões sobre a qualidade do carvão vegetal para uso siderúrgico. Piracicaba IPEF, v. 6, CAMPOS, João Carlos Chagas; LEITE, Helio Garcia. Mensuração Florestal: Perguntas e Respostas. 3 ed. Atual. e ampl. Viçosa, MG: Editora UFV, p.

10 IBÁ - Indústria brasileira de árvores, Indicador de desempenho do setor nacional de árvores plantadas referente ano base São Paulo. Disponível em < pt.pdf>. Acesso em: 30 Set NOGUEIRA, Luis Augusto Horta; LORA, Electo Eduardo Silva. Dendroenergia: fundamentos e aplicações. 2 ed. Rio de Janeiro: Interciência, p. PIMENTEL-GOMES, Frederico; GARCIA, Carlos Henrique. Estatística aplicada a experimentos agronômicos e florestais: Exposição com Exemplos e Orientações para Uso de Aplicativos. Piracicaba: FEALQ, p. SILVA, Marcela Gomes da; et al. Carvão de resíduos de indústrias madeireiras de três espécies florestais exploradas no município de Paragominas-PA. Acta Amazônica, v. 37, n. 1, p , VITAL, Benedito Rocha; et al. Manual de identificação de carvão vegetal. Viçosa, MG: Ed. UFV, p.