CARACTERZIZAÇÃO FÍSICA E ENERGÉTICA DO CARVÃO PRODUZIDO A PARTIR DE DUAS ESPÉCIES NATIVAS AMAZÔNICAS

Transcrição

1 1 EIXO TEMÁTICO: CIÊNCIAS FLORESTAIS CARACTERZIZAÇÃO FÍSICA E ENERGÉTICA DO CARVÃO PRODUZIDO A PARTIR DE DUAS ESPÉCIES NATIVAS AMAZÔNICAS RESUMO A produção de carvão vegetal é feita através do processo de carbonização ou destilação seca da madeira. A qualidade do produto carvão vegetal está intrinsicamente ligado as seguintes variáveis (i) características físico-químicas da espécie de origem, (ii) temperatura final de carbonização, (iii) incremento de temperatura por minuto, (iv) pressão dentro do forno) e (v) teor de umidade da amostra. O objetivo deste trabalho consistiu em caracterizar a potencialidade energética de amostras de madeira residuais do setor moveleiro de Marabá-PA, identificadas como sendo representativas de duas espécies nativas da Amazônia Brasileira (Symphonia globulifera e Apuleia leiocarpa). As variáveis determinadas (em %) foram: (i) o rendimento gravimétrico, (ii) teor de carbono fixo, (iii) teor de materiais voláteis, (iv) teor de cinzas. Todas as análises estão de acordo com a norma NBR Os rendimentos e características físicas foram semelhantes entre as espécies. O carvão vegetal produzido com Apuleia leiocarpa e Symphonia globulifera apresentou os altos teores de voláteis (27,50 e 29,17%) e cinzas entre (3,12 e 2,11%) e baixo teor de carbono fixo. Verificou-se que o carvão produzido a partir das duas espécies não apresentam qualidade para emprego no setor energético, embora possa ainda ser aplicado no setor doméstico. PALAVRAS-CHAVE: Carbonização; Movelaria; Caracterização 1. INTRODUÇÃO O carvão vegetal há muito tempo vem sendo utilizado para a geração de energia, sendo responsável pelo surgimento das indústrias siderúrgicas no Brasil (BRITO, 1990). O Brasil é responsável por cerca de 1/3 da produção e utilização de carvão vegetal no mundo, destinado principalmente para as indústrias siderúrgicas na fabricação de ferro gusa e ligas metálicas (BARCELLOS, 2007), visto que é um insumo renovável e menos poluente ao se comparar com combustíveis fósseis (ARRUDA, 2005). A produção de carvão vegetal brasileira é extremamente expressiva no cenário mundial, sendo o Brasil o maior produtor e o segundo maior consumidor. Para se ter uma ideia da dimensão do setor carvoeiro, a indústria siderúrgica brasileira produziu, em média, nos períodos de 2003 a 2012, cerca de 32,5 milhões de toneladas anuais de ferro-gusa, sendo destes, 9,5 milhões obtidos a partir do carvão vegetal como insumo energético (CCGE, 2015). A produção de carvão vegetal é feita através da carbonização da madeira, realizadas em carvoarias pelo processo conhecido como carvoejamento, que podem ter tecnologias que

2 2 proporcionam um maior rendimento e menor impacto ambiental ou podem ser relativamente primitivas, gerando uma baixa produtividade e sem controle sobre os impactos ao meio ambiente (MOTA, 2013). Segundo Britto (1990) a qualidade do carvão está diretamente relacionada com a espécie utilizada, o tamanho das peças de madeiras a serem carbonizadas e o método de carbonização aplicado. Por isso, é importante compreender as propriedades e o comportamento da madeira, uma vez que nos possibilita prever a qualidade e o rendimento energético do produto final. Além disso, é importante mencionar que a supressão de espécies de floresta nativa, principalmente na região Amazônica, para esse tipo de atividade ainda é um fator a se preocupar. As carvoarias da região, em sua maioria ilegais, por produzir carvão proveniente de madeira ilegal, contribuem significativamente para o desmatamento e para emissão de gases que poluem o meio ambiente. Dados obtidos pelo GREENPEACE (2011) mostram que a região de Carajás, no Pará, é umas das regiões mais prejudicadas da Amazônia, com a maioria dessas terras ocupadas por plantações de soja e pastagens e também por carvoarias associadas ao desmatamento da floresta nativa. Por isso este trabalho tem como objetivo, caracterizar as propriedades físicas e energéticas, de duas espécies Symphonia globulifera (Clusiaceae) e Apuleia leiocarpa (Fabaceae), de forma a verificar a viabilidade do emprego do carvão vegetal produzido a partir destas espécies para o setor siderúrgico. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1 Coletas das amostras de madeira O presente trabalho foi realizado na cidade de Marabá, Sudeste do Estado do Pará. Amostras de madeira das espécies foram obtidas por meio de coletas em um estabelecimento em um bairro da cidade (5 21'07.9"S 49 05'18.8 W).

3 3 Figura 1. Mapa de localização do estabelecimento Fonte: Adaptado do Google Earth. 2.2 Identificação das espécies de madeira A nomenclatura científica seguiu a Lista de Espécies da Flora do Brasil (2015) e W³ Trópicos ( A partir das amostras coletadas foram confeccionados corpos de prova com dimensão de 2x2x3 cm (direção radial, tangencial e longitudinal respectivamente). As madeiras foram identificadas a partir das características das anatômicas macroscópicas e utilização de chave de identificação anatômica do Manual de Identificação de Madeiras Comerciais do IPT (MAINIERI, 1989) e Corandin et al. (2010), posteriormente as espécies identificadas foram comparadas com amostras registradas na Xiloteca do Laboratório Ciência e Tecnologia da Madeira da Universidade do Estado do Pará Campus VIII Marabá. 2.3 Carbonização das amostras de madeira Para a produção do carvão, foram selecionados seis corpos de prova de 2x2x3 cm para cada espécie, os quais foram envoltas em papel alumínio e carbonizadas em forno Mufla Jung, 0412 (GONÇALVES et al. 2012) (Figura 3). O processo de carbonização durou 4 horas, com

4 4 uma temperatura final de 450 C e velocidade de aquecimento de 2,5 C.min -1 ; tempo de residência de 60 min. Figura 2. Processo de carbonização: A Amostras de madeira; B - Forno Mufla. 2.4 Caracterização física das amostras de carvão Como não há recomendações formais para a análise de carvões para avaliar as contrações lineares e volumétricas utilizou-se procedimento de ensaio da NBR 7190 (ABNT, 1986). Figura 3. Determinação das propriedades físicas do carvão: A - Amostras carbonizadas; B - Medição da contração.

5 5 2.5 Análise Imediata Para a análise imediata do carvão o procedimento adotado foi o descrito por Pinheiro (2010), segundo as normas NBR 6923 (ABNT, 1981) e NBR 8112 (ABNT, 1986), onde os parâmetros avaliados foram: determinação do teor de umidade, determinação do teor de matéria volátil, determinação do teor de cinzas, determinação do teor de carbono fixo. Figura 4. Processo de análise imediata: A-Preparação das amostras; B- Cinzas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A madeira, assim como seus derivados, quando submetida à ação do calor, está sujeita a variações físico-químicas (FIGUEROA; MORAES, 2009). Os dados aqui apresentados e os trabalhos utilizados como comparação sobre degradação térmica da madeira mostram que o processo de decomposição e a temperatura na qual ela ocorre são dependentes, significativamente, da espécie da madeira. A Tabela 1 apresenta os valores de rendimento gravimétrico (RG), contração axial (CA), contração tangencial (CT), contração radial (CR) e contração volumétrica (CV). Foram observadas diferenças consideráveis entre as duas espécies. Isto pode ter ocorrido devido às variações da constituição química, física e anatômica existentes na madeira. Tabela 1. Médias gerais da contração do carvão de Apuleia leiocarpa e Symphonia globulifera

6 6 Apuleia leiocarpa Symphonia globulifera R.G C.A C.T C.R C.V R.G C.A C.T C.R C.V 1 34,01 19,66-13,07 2,07 11,04 24,80 11,18 10,48 11,03 29, ,03 17,59-2,95 10,17 23,79 27,41 16,00-2,55-5,96 8, ,50 16,52-7,06 7,54 17,36 27,59 13,04 0,77 2,78 16, ,83 14,33-7,61 3,74 11,26 23,66 14,32 8,26 13,58 32, ,75 16,86-7,82 17,08 25,67 27,17 33,39 6,32-8,66 32, ,00 17,99-2,90 5,12 19,92 25,79 12,37 16,43 17,37 39,49 Média 35,22 16,66-5,67 8,73 19,60 26,07 16,72 6,62 5,02 26,31 DP 2,76 1,42 2,52 5,27 5,68 1,60 8,33 6,81 10,72 11,52 Legenda. R.G: rendimento gravimétrico; C.A: contração axial; C.T: contração tangencial; C.V: contração volumétrica De acordo com os resultados obtidos após a degradação térmica, devido à ação da temperatura, nota-se que o plano tangencial contraiu mais que o plano radial para a espécie Symphonia globulifera (6,62%), o resultado encontrado foi semelhante ao de Moutinho (2011) ao trabalhar com a espécie Eucalyptus sp., porém ele verificou uma menor contração no plano axial, entre 9,75 e 12,64% o que difere dos dados aqui apresentados, pois o plano axial apresentou um alto valor (16,72%). De acordo com o mesmo autor, o plano axial possui como características alta produção de espaços vazios, que funcionam como escape para os gases produzidos no decorrer da degradação, através disso pode ser justificado tanto a menor quanto a maior perda dimensional, assim como ocorre com os resultados aqui encontrados. Os valores negativos observados na tabela para a espécie Apuleia leiocarpa podem ser justificados devido à alta temperatura e rápida taxa de incremento no processo de carbonização, onde ocasionaram expansão, causando fissuras e consequentemente a menor resistência à compressão.

7 Porcentagem (%) A interdisciplinaridade na Educação, Saúde, Meio 7 Figura 5. Gráfico dos resultados das análises imediatas ,71 8,73 6,61-5,66 5,02 16,65 26,31 26,07 19,6 35,22 S. globulifera A. leiocarpa Contração /Expansão A figura 5 apresenta os valores médios dos resultados e nota-se que o rendimento do carvão da espécie Apuleia leiocarpa foi consideravelmente alto (acima de 30%). Nobre et al. (2015), ao realizar a análise de rendimento gravimétrico da mesma espécie encontrou resultados semelhantes de 33,82%. Na tabela 2, os valores médios de material volátil entre as espécies foram semelhantes entre 27,50 e 29,17%. Assis et al. (2012), trabalhando com carvão vegetal de um clone híbrido de Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla produzido a 450 ºC, com quatro horas de carbonização, observaram uma variação de 18,5 a 20,3% no teor de matéria volátil dos indivíduos. Já Vale e Nogueira (2001), analisando nove espécies nativas do cerrado, notou que o teor de matéria volátil das espécies variou de 21,5 a 27,6%. De acordo com Andrade et al. (2012), o teor de materiais voláteis, geralmente, apresenta uma correlação negativa com o teor de carbono fixo, porém é necessário haver material volátil residual mínimo para que o carvão entre em combustão e gere energia. Resultados semelhantes Brito e Barrichello (1977) ao estudar 10 espécies de eucalipto.

8 Porcentagem (%) A interdisciplinaridade na Educação, Saúde, Meio 8 Tabela 2. Valores médios para as características avaliadas no carvão vegetal. Apuleia leiocarpa Symphonia globulifera T.U M.V T.C C.F T.U M.V T.C C.F ,56 68, ,73 68, ,31 71, ,65 68, ,64 66, ,73 68, ,51 71, ,48 62, ,18 70, ,50 67, ,49 67, ,56 77,44 Média 1,67 27,50 3,12 69,38 3,33 29,17 2,11 68,73 DP 4,08 2,74 0,94 2,25 2,58 4,92 0,45 4,83 Legenda. T.U: teor de umidade; M.V: materiais voláteis; T.C: teor de cinzas; C.F: carbono fixo Santos (2008) e Paulucio (2012) afirmam que, para evitar a corrosão dos equipamentos metálicos e a segregação no processo produtivo do ferro-gusa, os teores de cinza devem ser inferiores a 1% para a utilização siderúrgica do carvão. De acordo com os resultados da tabela 2 deduz-se que os carvões dessas espécies são prejudiciais aos altos-fornos devido à alta concentração de cinzas que as mesmas apresentaram, porém, podem ser utilizadas como carvão doméstico. Os valores de carbono fixo observados na figura 6 são relativamente altos, assim como nota-se, em vários estudos do carvão de Eucalyptus sp., valores de 72 a 82% para o teor de carbono fixo (ASSIS et al., 2012; REIS et al., 2012; BOTREL et al., 2007; VALE et al., 2002b). Figura 6. Gráfico dos resultados das análises imediatas ,38 68,73 27,50 29,17 1,67 3,33 3,12 2,11 T. Umidade M. Volateis T. Cinzas C. Fixo A. leiocarpa S. globulifera

9 9 4. CONCLUSÃO Os resultados obtidos evidenciaram que as espécies Apuleia leiocarpa e Symphonia globulifera, após o processo de carbonização, segundo a metodologia empregada, se transformaram em um produto (carvão vegetal) onde não apresenta requisitos para aplicabilidade no setor siderúrgico, devido aos altos teores de cinzas e de materiais voláteis. Embora estes resíduos, possam ser aplicados como matéria-prima para produção de carvão vegetal e destinados ao setor doméstico, contribuindo para a minimização do corte de árvores. 5. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao Prof. Dr. Luiz Eduardo Lima Melo do Laboratório de Ciência e Tecnologia da Madeira da Universidade do Estado do Pará Campus VIII Marabá pelas identificações das amostras. 6. REFERÊNCIAS ABNT - ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6923: Carvão vegetal: amostragem e preparação de amostra. Rio de Janeiro, ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 811: Carvão vegetal análise imediata. Rio de Janeiro, ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7190: Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro, ANDRADE, F.W.C; MOUTINHO, V.H.P.; CARDOSO, C.C.; BRITO, J.O. Rendimento axial da carbonização de híbridos de Eucalyptus spp. EnerBiomassa, Seminário de Energias da Biomassa. Anais do... Maceió, Al ARRUDA, T.P.M. Avaliação de duas rotinas de carbonização em fornos retangulares ASSIS, M.R.; PROTÁSIO, T.P.; ASSIS, C.O.; TRUGILHO, P.F.; SANTANA, W.M.S. Qualidade e rendimento do carvão vegetal de um clone híbrido de Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla. Pesquisa Florestal Brasileira, Colombo, v. 32, n. 71, p , 2012.

10 10 BARCELLOS, D.C. Caracterização do carvão vegetal através do uso de espectroscopia no infravermelho próximo. Tese (Doutorado em Ciência Florestal), Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2007, 129 p. BOTREL, M.C.G.; TRUGILHO, P.F.; ROSADO, S.C.S.; SILVA, J.R.M. Melhoramento genético das propriedades do carvão vegetal de Eucalyptus. Revista Árvore, Viçosa, MG, v. 31, n. 3, p , BRITO, J.O. Carvão vegetal no Brasil: gestões econômicas e ambientais. Estudo avançados, v. 4, n. 9, p , BRITO, J.O.; BARRICHELO, L.E.G. Correlações entre características físicas e químicas da madeira e a produção de carvão vegetal: I. densidade e teor de lignina da madeira de eucalipto. Piracicaba: IPEF, BRITO, J.O. Princípios de produção e utilização de carvão vegetal de madeira. Documentos florestais, v. 9, p. 1-19, CCGE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. Modernização da produção de carvão vegetal: subsídios para revisão do Plano Siderurgia. Brasília, DF, 150 p., 2015 CORANDIN, V.P.R.; CAMARGO, J.A.A.; PASTORE, T.C.M.; CRISTO, A.G. Madeiras comerciais do Brasil: chave interativa de identificação baseada em caracteres gerais e macroscópicos. Serviço Florestal Brasileiro, Laboratório de Produtos Florestais: Brasília, CR-ROM. GARCIA, D.P; RODRIGUES, C.R.; BEM, E.A.D.; FERREIRA, J.P. Qualidade do carvão vegetal visando uso doméstico. Revista Brasileira de Engenharia de Biossistemas, v. 11, n. 1, p , GONÇALVES, T.A.P; MARCATI, C.R.; SCHEEL-YBERT, R. The effect of carbonization on wood structure of Dalbergia violacea, Stryphnodendron polyphyllum, Tapirira guianensis, Vochysia tucanorum and Pouteria torta from the Brazilian cerrado. IAWA Journal, Leiden, v. 33, n. 1, p.73-90, GREENPEACE. Carvoaria Amazônia: Como a indústria de aço e ferro gusa está destruindo a floresta com a participação de governos. Manaus - AM. 17 p Disponível em

11 11 < 20Pig%20Iron%20D 3_portugues.pdf >.Acesso em: 31 ago JBRJ JARDIM BOTÂNICO DO RIO DE JANEIRO. Lista de Espécies da Flora do Brasil. Jardim Botânico do Rio de Janeiro. Disponível em: < Acesso em: 19 Fev MAINIERI, C.; CHIMELO, J.P. Fichas de características de madeiras brasileiras. São Paulo: Companhia de Promoção de Pesquisa Científica e Tecnológica do Estado de São Paulo, p. MOUTINHO, V.H.P. Influência da variabilidade dimensional e da densidade da madeira de Eucalyptus sp. e Corymbia sp. na qualidade do carvão. Tese (Doutorado em Recursos Florestais). Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz - Universidade de São Paulo, Piracicaba, SP PINHEIRO P.C.C. Guia de prática de análise imediata de combustíveis sólidos. Apostila Prática, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), MOTA, F.C.M. Análise da cadeia produtiva do carvão vegetal oriundo de Eucalyptus sp. no Brasil. Dissertação (Mestrado em Ciências Florestais), Universidade de Brasília, Brasília, DF. 2013, 169 p. NOBRE, J.R.C.; CASTRO, J.P.; MOTTA, J.P.; BIANCHI, M.L.; TRUGILHO, P.F.; BORGES, W.M.S.; MOULIN, J.C. Produção de carvão ativado de resíduo madeireiro da região Amazônica. Scientia Forestalis, Piracicaba, v. 43, n. 108, p , PAULUCIO, F.F. Qualidade do carvão vegetal de madeiras do cerrado em comparação ao Eucalyptus sp REIS, A.A.; MELO, I.C.N.A.; PROTÁSIO, T.P.; TRUGILHO, P.F.; CARNEIRO, A.C.O. Efeito de Local e Espaçamento na Qualidade do Carvão Vegetal de um Clone de 36 Eucalyptus urophylla S. T. Blake. Floresta e Ambiente, v. 19, n. 4, p , TRUGILHO, P.F.; LIMA, J.T.; MORI, F.A.; LINO, A.L. Avaliação de clones de Eucalyptus para produção de carvão vegetal. Cerne, v. 7, n. 2, 2001.

12 12 VALE, A.T.; NOGUEIRA, M. Carbonização de madeiras do cerrado e análise do carvão vegetal. Revista Árvore, Viçosa, v. 25, n. 2, p , 2001.