Qual o efeito da temperatura final de carbonização na resistência à compressão do carvão vegetal?

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1 Qual o efeito da temperatura final de carbonização na resistência à compressão do carvão vegetal? Rodrigo Simetti 1, Luciano Junqueira Costa 2, Breno Assis Loureiro 1, Taiana Guimarães Arriel 1, Ana Flávia Cunha Fernandes de Oliveira 1, Paulo FernandoTrugilho 1 1 DCF/UFLA Departamento de Ciências Florestais/Universidade Federal de Lavras. simetti@posgrad.ufla.br 2 DEF/UFV Departamento de Engenharia Florestal/Universidade Federal de Viçosa Resumo O presente estudo teve como objetivo avaliar a resistência a compressão perpendicular às fibras do carvão vegetal produzido em diferentes temperaturas de carbonização. Foram utilizados sete clones hibridos de Corymbia citriodora com Corymbia torelliana, e temperaturas de carbonização de 350ºC, 450ºC, 550ºC e 700ºC. Foram feitos corpos-de-prova de 10x10x25 mm para os ensaios mecânicos em máquina de ensaios universal. Foi observado o efeito interativo dos clones e temperaturas utilizados, portanto matéria-prima e processo interferem na resistência mecânica do carvão vegetal sujeito a esforços de compressão no sentido perpendicular as fibras. A resistência à compressão perpendicular as fibras mostrou redução tendo um ponto mínimo entre 450ºC e 550ºC. A maior resistência a compressão média foi observada a 700ºC. Palavras-chave: propriedades mecânicas; bioredutor; pirólise. 1. Introdução O Brasil apresenta um parque siderúrgico diferenciado em relação aos demais países produtores de ferro-ligas e aço, esse diferencial está no fato do uso de carvão vegetal como agente termo redutor, em substituição do carvão mineral, em algumas unidades produtoras. Esse fato tornou o Brasil o maior produtor e maior consumidor mundial de carvão vegetal (FAO, 2017). A produção utilizando o carvão vegetal acarreta em vantagens como a redução do impacto ambiental da retirada do carvão mineral, o uso de uma fonte renovável de energia e carbono, e menor teor de enxofre no produto final. Porém apresenta a desvantagem de redução das dimensões do alto forno e, consequentemente, a redução do volume de produto por unidade produtora. O carvão vegetal tem menor resistência mecânica do que o carvão mineral, sendo mais frágil ao choque e esmagamento, solicitações mecânicas comuns em alto fornos (ASSIS et al, 2016). São poucas as informações disponíveis sobre a interferência do processo de produção e matériaprima utilizados sobre as propriedades mecânicas do carvão vegetal. Não existem normas ou procedimentos padronizados para ensaios de resistência à compressão para carvão vegetal. Dessa forma, o presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito de diferentes temperaturas finais de carbonização na resistência à compressão do carvão vegetal no sentido perpendicular as fibras. 2. Material e Métodos O material biológico utilizado no presente estudo apresentava idade de 3,75 anos no momento da coleta. As árvores utilizadas eram provenientes dos híbridos Corymbia citriodora x Corymbia torelliana (Clones 1,5 e 6) e Corymbia torelliana x Corymbia citriodora (Clones 2,3,4 e 7); de um plantio, com espaçamento 3 x 3 m, localizado em Itamarandiba, norte de Minas Gerais. Foram utilizadas quatro árvores de cada clone, de cada qual, foi retirado um torete de 15 cm, à 1,5 m do solo. Os toretes foram seccionados de forma a ser retirado um pranchão central de aproximadamente 15 cm de comprimento e 2,5 cm de espessura. O pranchão foi dividido de em corposde-prova com dimensões de 2 x 2 x 4 cm (Figura 1)

2 150 mm A B C 20 mm 20 mm 25 mm 40 mm Figura 1. Esquema de retirada dos corpos de prova para carbonização: (A) Vista lateral do torete. (B) Vista superior do torete e marcação para retirada do pranchão central. (C) Dimensões do corpo-de-prova Os corpos-de-prova foram carbonizados utilizando um reator metálico com tampa rosqueável, acoplado com um condensador resfriado à água e sistema de coleta para dos gases condensáveis. A taxa de aquecimento utilizada foi de 0,5 ºC.min -1 e temperaturas finais de carbonização foram 350ºC, 450ºC, 550ºC e 700ºC, com tempo de residência de 30 minutos à temperatura máxima. O material carbonizado foi utilizado para a confecção dos corpos-de-prova para o ensaio mecânico. Foi utilizado um cortador de azulejo com disco diamantado, recomendado para corte de cerâmicas e pavimentos de argila. Após o corte o material foi lixado para ajuste das dimensões e remoção de defeitos superficiais. As dimensões finais dos corpos-de-prova foram de 10x10x25mm. Os mesmos foram acondicionados em câmara climática com temperatura d 20ºC e 60% de umidade relativa do ar, até não apresentarem variação na massa. Os rendimentos gravimétricos, a composição química imediata e densidade relativa parente médios dos materiais analisados são apresentados na (Tabela 1) Tabela 1. Rendimento gravimétrico em carvão vegetal, composição química imediata e densidade relativa aparente médios do carvão vegetal para as diferentes temperaturas de carbonização TC (ºC) RCV (%) TMV (%) TCz (%) TCF (%) DRA (g.cm -3 ) ,84 37,01 0,82 62,17 0, ,65 23,71 1,11 75,17 0, ,90 13,94 1,40 84,66 0, ,90 7,67 1,63 90,70 0,48 TC: Temperatura de carbonização; RCV: Rendimento gravimétrico em carvão vegetal; TMV: Teor de materiais voláteis; TCz: Teor de cinzas; TCF: Teor de carbono fixo; DRA: Densidade relativa aparente. Foi utilizada uma máquina universal de ensaios modelo EMIC DL 30000, com uma célula de carga de 500 kg. A velocidade de aplicação da carga foi de 0,05 mm.min -1, o ensaio era interrompido em 20% de perda de resistência do material. A carga foi aplicada no plano radial dos corpos-de-prova. Na avaliação foi experimento foi utilizado um delineamento inteiramente casualizado em esquema fatorial, com clone e temperatura como fatores de variação. Para o efeito qualitativo (Clone) foi utilizado o teste de Scott-Knott, a 5% de probabilidade de erro, e para o efeito quantitativo (Temperatura) foi utilizado analise de regressão. 3. Resultados e Discussão A análise de variância mostrou haver interação entre os efeitos de clone e temperatura (Tabela 2), dessa forma procedeu-se o desdobramento da interação dentro de cada efeito

3 Tabela 2. Resumo da análise de variância para a resistência à compressão perpendicular às fibras do carvão vegetal Fonte de variação Graus de Quadrado médio da resistência a liberdade compressão perpendicular as fibras Clone (C) 6 1,944 ns Temperatura (T) 3 16,008* C x T 18 2,616* Resíduo 56 1,129 Total 83 Média 3,39 Coeficiente de variação experimental (%) 31,29 * e ns : significativo e não significativo em nível de 5% de probabilidade, respectivamente Para a temperatura de carbonização de 350ºC os clones 2, 5 e 7 apresentaram os menores valores médios de resistência a compressão, enquanto os clones 1, 3, 4 e 6 formaram o grupo com os maiores valores médios. Nas temperaturas de 450ºC e 550ºC não foram observadas diferenças para o valor médio da resistência a compressão dos clones utilizados. Na temperatura de 700ºC os clones 1,2, 6 e 7 formaram o grupo com maiores valores médios e os clones 3,4 e 5 formaram o grupo com menor valores médios (Figura 2). Para Vieira (2009) o aumento da temperatura tende a resultar em carvão vegetal mais homogêneo, diferente da heterogeneidade na madeira. Porém os dados do presente trabalho mostraram uma tendência diferente, a maior homogeneidade dos clones foi encontrada entre 450ºC e 550ºC. Figura 2. Resistência à compressão perpendicular as fibras em função dos clones para as diferentes temperaturas finais de carbonização O efeito da temperatura foi similar para os sete clones avaliados, sendo que os clones 3 e 4 não apresentaram efeito significativo da regressão. Os clones 1, 2, 5 e 6 apresentaram ajuste significativo para regressão do segundo grau, para o clone 7 apenas a regressão do primeiro grau foi significativa. Para esses clones foi observado um ponto de mínima resistência entre 450ºC e 550ºC (Figura 3). Há uma relação positiva entre a densidade aparente relativa e a resistência mecânica do carvão vegetal (ASSIS, 2016). Um carvão mais denso apresenta menor quantidade de trincas e maior número de cadeias carbônicas por unidade de volume (COUTO et al, 2015). Trugilho e Silva (2001) relatam que durante a carbonização entre 300ºC e 500ºC ocorre maior perda de massa, devido a saída dos materiais voláteis, e após isso as contrações são maiores, acarretando no aumento da densidade a partir

4 desse ponto. Assim sendo, o aumento da densidade do carvão acarreta no aumento da resistência mecânica do mesmo. Figura 3. Resistência à compressão perpendicular as fibras em função da temperatura para os clones avaliados

5 4. Conclusões A resistência à compressão perpendicular as fibras é influenciada pela matéria-prima e pela temperatura final de carbonização. A resistência à compressão diminui para temperaturas de carbonização até 450ºC e aumenta após 550ºC. 5. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer à Universidade Federal de Lavras (UFLA), à Universidade Federal de Viçosa (UFV), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) à pelo suporte técnico e financeiro. Assim como às empresas Aperam Bioenergia e ArcelorMittal BioFlorestas pela doação do material. Referências ASSIS, M. R.; BRANCHERIAU, L.; NAPOLI, A.; TRUGILHO, P. F. Factors affecting the mechanics of carbonized wood: literature review. Wood Science and Technology, New York, v. 1, n. 3, p. 1-18, May ASSIS, M. R. Study of the variability of mechanical and physical properties of charcoal obtained under different pyrolysis conditions p. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, COUTO, A. M.; TRUGILHO, P. F.; NAPOLO, A.; LIMA, J. T.; SILVA, J. R. M.; PROTÁSIO, T. P. Qualidade do carvão vegetal de Eucalyptus e Corymbia produzido em diferentes temperaturas finais de carbonização. Scientia Forestalis, Piracicaba, v. 43, n. 108, p , dez FAO FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS. The charcoal transition: greening the charcoal value chain to mitigate climate change and improve local livelihoods. Disponível em: < Acesso em: 11 jun TRUGILHO, P.F.; SILVA, D.A. Influência da temperatura final de carbonização nas características físicas e químicas do carvão vegetal de jatobá (Himenea courbaril L.). Scientia Agraria, Curitiba, PR, v.2, n. 1-2, p.45-53, VIEIRA, R.S. Propriedades mecânicas da madeira de clones de Eucalyptus e do carvão vegetal produzido entre 350 C e 900 C p. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia da Madeira) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG