CARACTERIZAÇÃO E COMBUSTÃO DA CASCA DO CACAU

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO E COMBUSTÃO DA CASCA DO CACAU G. C. CORREA¹*, B. P. NASCIMENTO¹, C. M. GALDINO¹**, M. M. N. SANTOS 2, A. P. MENEGUELO 3, L. S. ARRIECHE 3 1 Graduandas em Engenharia Química (**Bolsista PIVIC) / UFES 2 Mestrando do Programa de Pós-graduação em Energia (Bolsista Capes) / UFES 3 Professores do Programa de Pós-graduação em Energia / UFES * para contato: [email protected] RESUMO A Combustão direta é a principal rota tecnológica utilizada mundialmente para aproveitar a energia contida nos resíduos agrícolas. Dessa forma, esse trabalho teve como foco avaliar o potencial energético da casca do cacau e monitorar os gases gerados durante o processo de queima, em laboratório. Foram determinados os teores de sólidos voláteis, carbono fixo, cinzas e o poder calorífico da biomassa. O processo de combustão foi monitorado por meio de um analisador de gases portátil. Diante de alguns dos resultados obtidos, em base seca, como o teor de cinzas de 8,61% e o poder calorífico superior de 17,00 MJ/kg, a biomassa do cacau apresenta potencial promissor de ser utilizada como combustível. Entretanto, os níveis de gases medidos foram superiores aos estabelecidos pelas normas ambientais. Isto indica a necessidade em direcionar estudos para a operacionalização de um reator de leito fixo. 1. INTRODUÇÃO Os impactos ambientais associados ao uso dos combustíveis fósseis e a instabilidade no setor hidroelétrico têm contribuído para a busca de alternativas para a geração energética. Diante desse cenário, a conversão da energia contida nos resíduos agrícolas em energia térmica ou até energia elétrica tem sido cada vez mais valorizado. Durante o beneficiamento do cacau para a produção de ingredientes para indústria alimentícia e de cosméticos são gerados vários resíduos. Um desses resíduos é a casca do cacau, que corresponde a cerca de 80% do peso do fruto fresco (SILVA NETO et al., 2001). Tradicionalmente, a Combustão Direta é a rota tecnológica mais utilizada na queima de resíduos agrícolas para a produção de energia devido à simplicidade do processo. Entretanto há a grande preocupação com a geração de gases nocivos ao meio ambiente. O conhecimento das características químicas e energéticas da biomassa permite determinar a eficiência da biomassa como combustível e os gases gerados durante o processo de combustão (CIESLINSKI, 2014).

2 Desse modo, este trabalho teve como objetivo avaliar o potencial energético da casca do fruto do cacau, através de suas características energéticas, e quantificar os poluentes gasosos emitidos durante do processo de Combustão. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Do ponto de vista energético, a biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica que pode ser transformada em energia, como os resíduos florestais, agrícolas e rejeitos urbanos e industriais (ASPE, 2013). Segundo Goldemberg e Lucon (2007) a biomassa apresenta inúmeras vantagens em relação aos combustíveis fósseis, por ser um recurso renovável e emitir níveis baixos de carbono em seu ciclo de vida. Além disso, o uso da biomassa emite menos poluentes locais e gera mais empregos por unidade de energia que o petróleo (150 vezes mais). Para avaliar o potencial de uma biomassa para a produção de energia é fundamental o conhecimento das suas características químicas e térmicas. As principais características são a composição imediata (umidade, materiais voláteis, cinzas e carbono fixo) e poder calorífico (CORTEZ et al., 2008). A combustão é uma reação química de oxidação entre um combustível (fósseis ou biomassa) e um comburente, usualmente o oxigênio, liberando calor e diferentes compostos. Dependendo das condições operacionais esse processo gera vários produtos: gases que provocam efeito estufa, como o dióxido de carbono (CO 2 ) e hidrocarbonetos (ex: CH 4 ); gases nocivos, como o monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NO x ) e óxidos de enxofre (SO x ); carvão e cinzas (RENDEIRO et al., 2008). Carvalho Júnior e Lacava (2003) afirmam que uma das maiores fontes de emissão de poluentes são os gases resultantes de dispositivos que aproveitam a energia térmica liberada pelas reações de combustão, como na queima de biomassa, por exemplo. Alguns equipamentos chamados de analisadores de gases podem ser utilizados para medir os níveis desses gases gerados durante o processo de combustão (CORTEZ et al.,2008). Através desses equipamentos é possível alcançar melhores condições operacionais de processo, reduzindo perdas de energia, aumentando a segurança do equipamento e dos operadores. Além disso, podem-se reduzir as emissões de gases poluentes, ou seja, reduzir o impacto ao meio ambiente. No Brasil é o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) que define os padrões nacionais de qualidade do ar com relação aos limites de emissão para processos de combustão. Considerando o aumento do nível das emissões atmosféricas e a degradação da qualidade do ar o CONAMA, através da Resolução nº 382/06, estabeleceu os limites máximos de emissão de poluentes para fontes fixas. Não há um padrão específico para a combustão da casca do cacau. Entretanto pode-se considerar os padrões existentes para o bagaço da cana-de-açúcar, como sugere Cieslinski (2014) numa pesquisa sobre a biomassa do café.

3 3. METODOLOGIA As cascas do fruto do cacau utilizadas neste trabalho foram fornecidas pela CEPLAC Comissão Executiva do Plano da lavoura Cacaueira, localizada no município de Linhares ES. Conforme mostra a Figura 1, as cascas foram cortadas em cubos de dimensão aproximada de 1 cm, antes de iniciar a caracterização. Figura 1 Casca do Cacau. A caracterização da biomassa do cacau foi realizada através da análise química imediata - materiais voláteis, cinzas e carbono fixo. Através dos resultados obtidos foi estimado o poder calorífico superior, utilizando a equação (1), conforme Parikh, Channiwala e Ghosal (2005). PCS 84,5104x(% carbonofixo ) 37,2601x(% materiaisvoláteis ) 1,8642x(% cinzas ) (1) Onde PCS é o poder calorífico superior, base seca em kcal/kg. A medição dos gases da combustão foi realizada durante a queima numa mufla, da marca Sppencer, com variação da temperatura de 100 ºC até 800 C. Os gases foram medidos através de um analisador contínuo, de marca Ecil, com funcionamento baseado numa célula eletroquímica. A sonda do analisador foi posicionada no orifício localizado acima da mufla, conforme apresentado na Figura 2.

4 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Caracterização da biomassa Figura 2 a) mufla, b) analisador de gases portátil. Os resultados obtidos a partir da caracterização da casca do cacau estão apresentados na Tabela 1. A composição química imediata da biomassa estudada apresentou valores próximos aos da literatura, em relação à casca de cacau. As pequenas diferenças encontradas podem ser atribuídas às diferenças quanto à variedade do cacau, condições de solo, clima e de plantio. A casca do cacau também apresentou várias similaridades em relação a outros resíduos agrícolas, usados para a produção energética. Quanto ao teor de materiais voláteis a casca do cacau foi superior à casca de arroz, estudada por Jenkins et al. (1998) e à casca de café, pesquisada por Silva (2012). Quanto maior esse índice, maior será a facilidade de ignição da biomassa. O poder calorífico superior da casca do cacau, obtido matematicamente, foi também condizente com os valores de outros resíduos agrícolas, sendo superior ao do bagaço de cana, estudado por Jenkins et al. (1998) e inferior ao do sabugo de milho, estudado por Paula (2010). O poder calorífico é um dos mais importantes parâmetros do potencial energético da biomassa, indicando a quantidade de energia liberada por unidade de massa num processo de combustão completa da biomassa.

5 Tabela 1 Análise Imediata e Poder Calorífico Superior da casca do cacau (base seca) Biomassa Material Volátil (%) Teor de Cinzas (%) Teor de Carbono Fixo (%) PCS (MJ.kg -1 ) Casca de cacau 77, (1) 8, (1) 14,00 12,00 (1) 17, (1) Bagaço de Cana 85,61 (2) 2,44 (2) 11,95 (2) 18,99 (2) Casca de arroz 66,36 (2) 16,43 (2) 17,30 (2) 15,96 (2) Casca de Café 73,07 (3) 5,10 (3) 21,67 (3) 16,67 (3) Sabugo de Milho 81,31 (4) 1,16 (4) 18,32 (4) 19,32 (4) Fonte: (1) Martinez-Ángel (2015); (2) Jenkins et al.(1998); (3) Silva (2012); (4) Paula (2010). Por outro lado, quanto ao teor de cinzas, o valor encontrado foi inferior apenas ao da casca de arroz (Jenkins et al, 1998). Essa característica da biomassa poderá causar corrosões e incrustações nos equipamentos, reduzindo o rendimento da conversão energética. O teor de carbono fixo foi obtido de forma indireta, pela diferença entre os valores de teor de voláteis e teor de cinzas. Quanto maior for este valor, maior será o poder calorífico do combustível; pois quanto maior esse valor, mais lentamente ocorrerá a queima do combustível (STURION et al., 1998). 4.2 Medição dos gases As concentrações dos gases poluentes produzidos atingiram picos acima dos limites permitidos pela legislação nacional, no início do processo de combustão, conforme mostra as Figuras 3, 4 e 5. Conforme Carvalho Júnior e Lacava (2003) a emissão de CO é resultado da combustão incompleta. No intuito de reduzir as emissões de CO, recomenda-se fornecer determinado excesso de ar e aumentar a taxa de mistura entre o combustível e o ar. Quanto aos gases NO x, o uso de combustíveis com teores de nitrogênio, a alta temperatura de operação das câmaras de combustão, o projeto dos queimadores e da câmara de combustão são fatores determinantes. Enquanto as emissões de SO x dependem apenas da composição do combustível.

6 Figura 3 Concentração de CO em função do tempo de combustão da casca do cacau Figura 4 Concentração de NO x em função do tempo de combustão da casca do cacau Figura 5 Concentração de SO x em função do tempo de combustão da casca do cacau

7 As emissões de CO durante a combustão da casca do cacau ultrapassaram o limite de emissão, estabelecido pelo CONAMA através da Resolução nº 382/06, de mg/nm 3, corrigidos para 8% de oxigênio, para um queimador com potência térmica de até 0,05 MW e considerando os limites estabelecidos para a biomassa da cana-de-açúcar. Quanto aos gases do tipo NO x não há um limite estabelecido de emissão para queimadores de baixa potência. Enquanto para os gases do tipo SO x não há um padrão nacional estabelecido para biomassa. 5. CONCLUSÃO O conhecimento das características energéticas da biomassa do cacau indica potencial promissor para produção de energia e colabora para o desenvolvimento de tecnologias mais adequadas a esse tipo de resíduo. Entretanto, as concentrações de gases tóxicos, como o monóxido de carbono, liberados na combustão da biomassa do cacau, superaram níveis estabelecidos pela legislação nacional nos testes realizados. Assim torna-se necessário a construção de um reator de leito fixo para estudo e otimização das condições operacionais do processo de combustão. Do mesmo modo que outros estudos realizados, como o processamento das amêndoas para a fabricação de chocolates e secagem da casca, este trabalho contribui para o aperfeiçoamento desses processos, favorecendo o aproveitamento integral do fruto do cacau. 6. REFERÊNCIAS AGÊNCIA DE SERVIÇO PÚBLICO DE ENERGIA DO ESTADO DO ESPÍRITO SANTO. Atlas de bioenergia do Espírito Santo. Vitória: ASPE, Disponível em: Acesso em: 01 de dez CARVALHO JÚNIOR, J. A. e LACAVA, P. T. Emissões em processos de combustão. São Paulo: Editora UNESP, CIESLINSKI, J. E. F. Estudo da Emissão e do controle dos gases particulados provenientes da queima da biomassa. Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, CONAMA. Resolução Conama nº 382/06: Limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas, CORTEZ, L. A. B.; LORA, E. E. S.; GÓMEZ, E. O. Biomassa para energia. Campinas: Editora da Unicamp, 2008.

8 GOLDEMBERG, J; LUCON, O. Energias Renováveis: um futuro sustentável. Revista USP, n. 72, p. 6 15, JENKINS BM, BAXTER LL, MILES Jr TR, MILES TR. Combustion properties of biomass. Fuel Process Technol, n. 54, p PARIKH, J.; CHANNIWALA, S. A.; GHOSAL, G. K. A correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels. Fuel, v. 84, n. 5, p PAULA, L.E.R. Produção e Avaliação de briquetes de resíduos lignocelulósicos. Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2010 RENDEIRO, G.; NOGUEIRA, M. F.; BRASIL, A.; CRUZ, Daniel O.; GUERRA, D. R.; MACÊDO, E. N.; ICHIHARA, J. Combustão e gaseificação de biomassa sólida soluções energéticas para a Amazônia. Brasília: editora do Ministério de Minas e Energia, SILVA, J.P. Caracterização da casca do café (coffea arábica, L) in natura, e de seus produtos obtidos pelo processo de pirólise em reator mecanicamente agitado. Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp, Campinas, SILVA NETO, P. J.; MATOS, P. G. G.; MARTINS, A. C. S.; SILVA, A. P. Sistema de produção para a Amazônia brasileira. Belém: CEPLAC, STURION, J.A; PEREIRA, J. C. D; CHEMIM, M.S; Qualidade da madeira de Eucalyptus viminalis para fins energéticos em função do espaçamento e idade de corte. Boletim de Pesquisa Florestal, n. 16, p.55-59, AGRADECIMENTOS À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior e à Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo.