EMISSÃO DE MATERIAL PARTICULADO (PM 2,5) NA COMBUSTÃO LABORATORIAL DA CASCA DE COCO E BAGAÇO DE CANA

Transcrição

1 EMISSÃO DE MATERIAL PARTICULADO (PM 2,5) NA COMBUSTÃO LABORATORIAL DA CASCA DE COCO E BAGAÇO DE CANA C. PINHEIRO 1*, M. A. M. COSTA 3, J. A. CARVALHO JR. 1, M. C. S. ALVES 1, J. C. CARASCHI 2, S. S. AMARAL 1 * cleversonpi@gmail.com 1 Universidade Estadual Paulista, Unesp de Guaratinguetá 2 Universidade Estadual Paulista, Unesp de Itapeva 3 Universidade Estadual Paulista, Unesp de Araraquara RESUMO Estudos evidenciam que os resíduos agroflorestais, bagaço de cana e a casca de coco, são alternativas potenciais para geração de energia. Entretanto, a combustão destas biomassas emite material particulado menor que 2,5 µm (PM 2,5 ), prejudiciais à saúde. Objetivou-se estudar a emissão do (PM 2,5 ) utilizando um DataRam4, na combustão da casca de coco e do bagaço de cana, com teores de umidade de 47,5 e 21,60 %, respectivamente. O estudo ocorreu no departamento de energia da UNESP, campus de Itapeva / SP. O diâmetro do material particulado variou de 0,03 a 0,65 µm para a casca de coco e 0,09 a 0,95 µm para o bagaço de cana. A concentração atingiu um máximo de µg/m³ para a casca de coco e ,80 µg/m³ bagaço de cana. As duas biomassas emitiram uma elevada concentração de PM 2,5, as diferenças ocorreram provavelmente devido à diferença no teor de umidade inicial destas biomassas. Palavras chave: casca de coco, bagaço de cana, material particulado. 7733

2 1 INTRODUÇÃO Na produção de etanol, cerca de 28 % da cana é transformada em bagaço (1). Na safra brasileira de 2009/2010, gerou entorno de 180 milhões de toneladas de bagaço, parte deste material foi utilizada nas próprias usinas para geração de energia elétrica e para a alimentação das caldeiras, porém o excedente ficou no pátio das usinas (2). No ano de 2009, foram gerados toneladas de resíduos durante o processamento do coco (3). Os resíduos como as fibras da casca do coco, podem ser usados como isolantes térmicos, em móveis estofados, assim como geração de energia (4). Apesar destas biomassas apresentarem um elevado potencial de uso, como uma alternativa para geração de energia limpa, a queima de tais resíduos, geram também poluentes, entretanto pouco conhecidos. A fumaça da combustão da biomassa é composta por produtos químicos, muitos prejudiciais à saúde humana (5). Foram queimaram vários resíduos agrícolas, como arroz, trigo, cana-de-açúcar, além de outras culturas, apresentando uma variedade de emissões, tais como fuligem e material particulado, monóxido de carbono, metano e compostos orgânicos voláteis. A medida mais importante de risco relacionado à fumaça a partir da queima de biomassas é o material particulado com um diâmetro aerodinâmico 2,5 µm (PM 2,5 ). Estas partículas consistem principalmente de carbono orgânico e componentes de carbono negro, juntamente com as contribuições menores de espécies inorgânicas (6). Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi o de monitorar, em tempo real, a emissão de material particulado fino emitido a partir da queima do bagaço da cana-de-açúcar e da casca de coco. 2 METODOLOGIA Durante o processo de combustão das biomassas, foram feitas medições contínuas de concentração e diâmetro de PM 2,5. Foram queimados 7,6 kg da biomassa da casca de coco, com teor de umidade em torno de 47,5 %. O material queimado constitui-se basicamente por fibras da 7734

3 casca do coco na forma de pó. Do bagaço da cana-de-açúcar, com teor de umidade de 21,6 %, foram queimados 7,0 kg. 2.1 Equipamento para amostragem de PM2,5 A amostragem de PM 2,5 foi feita utilizando nefelômetro de duplo comprimento de onda da marca DataRam4 (Modelo DR 4000) (Fig. 1 a). A partir do DataRam4 pode-se amostrar partículas em: correntes dispersas no ambiente, através de sonda de amostragem omnidirecional (Fig. 1 f) e em dutos (Fig. 1 b) ; Neste trabalho, foi utilizada a sonda de amostragem isocinética para correntes dispersas confinadas em dutos, através da sonda de amostragem isocinética (Fig. 1 b), uma vez que as partículas encontravam-se confinadas no duto da chaminé. No DataRam4, é possível o ajuste de unidades de medição, tempo de captação dos dados, vazão de entrada, entre outros. Coleta partículas com diâmetros variando de 0,04 à 4 µm, de acordo coma boquilha inserida no seletor de partículas (Fig. 1 d). Acoplado ao DataRam4, existe um diluidor de partículas (Fig. 1 c), cuja função é a injeção de ar limpo e refrigerado na corrente de ar a ser amostrado. Existe ainda, o aquecedor de fluxo (hot) (Fig. 1 e), que é indicado para eliminar a umidade da amostra quando esta estiver acima de 60 %, evitando a interferência no tamanho das partículas. Em todos os experimentos deste trabalho, utilizou-se este sistema. O equipamento detecta partículas numa concentração que varia de 0,1 a µg/m 3. A concentração de partículas no DataRam4 é calculada pelo volume de amostras coletadas, a partir da densidade pré-definida no equipamento de 2,6 g/cm³. a Fig. 1 (a) DataRam4. Acessórios do DataRam4: (b) sonda isocinética, (c) diluidor de partículas, (d) seletor de partículas, (e) aquecedor de fluxo e (f) amostrador omnidirecional. 7735

4 2.2 Descrição do queimador Foi utilizado um queimador (Fig. 2) utilizado para queima de biocombustíveis sólidos, este possui uma capacidade energética de kcal/h, consumindo cerca de 70 kg/h de biomassa. A biomassa estocada no silo alimenta o queimador através de uma rosca-sem-fim. Um ventilador mantém a chama acesa e dispersa o fogo para saída da câmara. Uma grelha dentro do queimador distribui o ar gerado pelo ventilador. Fig. 2 Esquema do queimador e a localização dos pontos de amostragem de PM 2,5 na chaminé. A saída dos produtos de combustão do queimador é por uma chaminé, na qual foram inseridas as sondas do DataRam4. O posicionamento dos orifícios ao longo da chaminé foi conforme as especificações da norma CETESB, L (7). 2.3 Procedimentos para amostragem de PM 2,5 Para garantir amostragem isocinética e representativa do fluxo gasoso, dentro da chaminé, seguiram-se os procedimentos de amostragem estabelecidos pela norma britânica BS 3405 (1983) (8). Com base na norma determinou-se o número de pontos de amostragem na seção transversal da chaminé (oito pontos perpendiculares entre si). Posteriormente, foi calculada a posição de cada ponto. Antes de iniciar o processo de combustão das biomassas, mediu-se com um termo anemômetro, a velocidade do ar dentro da chaminé. A condição de amostragem isocinética ocorre quando a velocidade de sucção da amostra no DataRam4 é igual à velocidade do gás no interior do duto. Para garantir as mesmas velocidades no duto e na sonda de amostragem, foi necessário definir algumas variáveis como: tipo da boquilha de amostragem e vazão de coleta no DataRam

5 Diâmetro (µm) Diâmetro (µm) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Neste trabalho, as velocidades do fluxo foram de 13,49 m/s e 14,33 m/s respectivamente para a biomassa de casca de coco e bagaço da cana-de-açúcar. E a boquilha utilizada foi 3 K, para ambas as biomassas. A amostragem foi feita durante um período de 30 minutos para a casca de coco e 28 minutos para o bagaço de cana. Cada ponto foi amostrado por cerca de 3 minutos. O armazenamento de dados no DataRam 4 foi programado para ocorrer de 10 em 10 segundos. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas Fig. 3 (a) e 3 (b), pode-se visualizar a variação do diâmetro das partículas em função do tempo de queima, para as duas biomassas. Nos primeiros instantes de queima, ocorreu a emissão de partículas de menor diâmetro, com um aumento ao longo do processo de combustão, para ambas as biomassas. Foi observado que no final do processo de queima o diâmetro das partículas tende a aumentar (9). A variação diametral das partículas foi de 0,09 a 0,95 μm para o bagaço da cana e de 0,03 a 0,65 μm para a casca de coco. Na queima do bagaço da cana predominaram os diâmetros na faixa de 0,35 μm, caracterizados como "partículas finas" (PM 2,5 ). Para a queima da casca de coco o diâmetro médio foi de 0,09, caracterizados como "partículas ultrafinas" (PM 0,1 ). 1,00 0,70 0,80 0,60 0,60 0,50 0,40 0,40 0,20 0, Tempo (s) 0,30 0,20 0,10 0, Tempo (s) (a) (b) Fig. 3- Diâmetro de PM 2,5 (µm) em função do tempo (s): (a) bagaço da cana e (b) casca de coco. No que se refere à concentração máxima de PM 2,5 foi de µg/m 3, para o bagaço da cana e de µg/m 3, para a casca de coco. 7737

6 Concentração (µg/m 3 ) Concentração (µg/m 3 ) Concentração (µg/m 3 ) Concentração (µg/m 3 ) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Apesar de apresentarem pico de concentração a emissão de PM 2,5 mantevese em torno de um valor médio de e µg/m 3, respectivamente para o bagaço de cana e a casca de coco. A variação da concentração em função do tempo pode ser observada nas Fig. 4 (a) e 4 (b), para o bagaço de cana e casca de coco, respectivamente. Pelas figuras percebe-se que a maior concentração de partículas ocorreu durante a queima da casca de coco. Percebe-se ainda que no final da queima ocorreu uma redução na concentração da partícula, isto para queima de ambos os materiais Tempo (s) Tempo (s) (a) (b) Fig. 4- Concentração de PM 2,5 (µg/m 3 ) em função do tempo (s): (a) bagaço da cana e (b) casca de coco. Pela Fig. 5, percebe-se que os picos de concentração foram ocasionados pelas chamadas partículas ultrafinas (PM 0,1 ). Estas são consideradas ainda mais prejudiciais à saúde do que as partículas finas ,09 0,21 0,40 0,95 Diâmetro (µm) ,03 0,04 0,07 0,65 Diâmetro (µm) (a) (b) Fig. 5- Concentração de PM 2,5 (µg/m 3 ) em função do diâmetro (µm): (a) bagaço da cana e (b) casca de coco. 7738

7 CONCLUSÃO - Na queima das biomassas o diâmetro das partículas apresentou elevada variação, indicando a emissão de partículas caracterizadas como partículas finas (PM 2,5 ) e partículas ultrafinas (PM 0,1 ); - A queima da casca de coco resultou na emissão tanto de partículas finas, quanto ultrafinas e em concentrações muito superiores a queima do bagaço da cana; - A concentração de PM 2,5, durante a queima da casca de coco foi superior a do bagaço da cana; - As partículas ultrafinas (PM 0,1 ), ou seja, aquelas com diâmetro inferior a 0,1 μm e mais prejudiciais a saúde, foram as responsáveis pelos picos de concentração. AGRADECIMENTOS A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo FAPESP (projeto temático número 08/ ), pelo financiamento deste estudo. REFERÊNCIAS (1) AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia elétrica do Brasil. Brasília, p. (8) BRITISH STANDARD METHOD. BS 3405: Measures of Particulate Emission Including Grit and Dust (Simplified Method), (1983). (7) CETESB. L9. 221: Dutos e Chaminés de Fontes Estacionárias - Determinação dos Pontos de Amostragem, (9) COSTA, M. A. M.; CARVALHO, J. A.; SOARES NETO, T. G. et al. Real-time sampling of particulate matter smaller than 2.5 μm from Amazon forest biomass combustion. Atmospheric Environment, v. 54, p , jul (6) ESTRELLAN, C. R.; IINO, F. Toxic emissions from open burning. Chemosphere, v. 80, n. 3, p , jun

8 (2) LEMOS, E. G. de M.; STRADIOTTO, N. R.; (ORGS.). Bioenergia: desenvolvimento, pesquisa e inovação. São Paulo: Cultura Acadêmica, p. (5) NAEHER, L. P. et al. Woodsmoke health effects: a review. Inhalation toxicology, v. 19, n. 1, p , jan (4) NUNES, M. U. C; et al. Tecnologia para biodegradação da casca de coco seco e de outros resíduos do coqueiro. Aracaju: Embrapa Tabuleiros Costeiros, nov (3) SCHNEIDER, V. E; et al. Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea): Diagnóstico dos Resíduos Orgânicos do Setor Agrossilvopastoril e Agroindústrias Associadas, p. ISSUANCE OF PARTICULATE MATTER (PM2.5) IN COMBUSTION LABORATORY, OF HUSK COCONUT AND SUGARCANE BAGASSE ABSTRACT Studies show that agroforestry wastes, bagasse and Coconut husk, are potential alternatives for power generation. However, the combustion of biomass emits particulate matter less than 2.5 µm (PM 2.5 ), harmful to health. The objective of studying the issue of (PM 2.5 ) using a DataRam4, in the combustion of Coconut husk and sugarcane bagasse, with moisture levels 47.5 and %, respectively. The study took place at the Department of energy of UNESP, campus de Itapeva/SP. the diameter of the particulate material ranged from 0.03 to 0.65 µm for the Coconut husk and 0.09 to 0.95 µm for sugar cane bagasse. The concentration reached a maximum of 1,529,336 µg/m³ for the Coconut husk and 794, µg/m³ bagasse. The two issued a high biomass concentration of PM 2.5, the differences were likely due to the difference in the initial moisture content of biomass. Keywords: Coconut husk, bagasse, particulate matter. 7740