DIFERENTES BIOMASSAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA NA INDÚSTRIA DE PAINÉIS DE FIBRA: ESTUDO DE CASO

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1 XIV EBRAMEM - Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira 28-30/Abril, 2014, Natal, RN, Brasil DIFERENTES BIOMASSAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA NA INDÚSTRIA DE PAINÉIS DE FIBRA: ESTUDO DE CASO 1 Ugo Leandro Belini (ugo.belini@ufsc.br), 2 Mario Tomazello Filho (mtomazel@usp.br), 2 Marta Karina Leite (marta.leite@usp.br), 1 Juliano Gil Nunes Wendt (juliano.wendt@ufsc.br) 3 José Luis P.C. Lousada (jlousada@utad.pt), 3 Maria Emília Galvão (emil_ms@utad.pt) 1 Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Depto de Ciências Biológicas e Veterinárias. Rod. Ulysses Gaboardi, km 3, Curitibanos-SC 2 Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ/USP) Depto de Ciências Florestais. Av. Pádua Dias, 11, Piracicaba-SP 3 Universidade de Trás os Montes e Alto Douro (UTAD/CITAB) Departamento Florestal. Quinta dos Prados, , Vila Real-PT RESUMO: Para fins energéticos, a biomassa apresenta muitas vantagens na sua utilização diretamente como combustível, como (i) reduzidas emissões de poluentes, (ii) geralmente baixas emissões de SO 2 na combustão e (iii) as emissões de CO 2, liberadas durante a queima de biomassa podem ser consideradas praticamente nulas. Notadamente, a biomassa utilizada na fabricação de energia térmica é proveniente de diversos sítios geradores de resíduos industriais derivados de madeira: isto não é diferente na indústria de painéis. Neste contexto, o trabalho aborda aspectos referentes às principais biomassas utilizadas na indústria de painéis de fibra para geração de energia: pó de lixa e de serra, fibra seca e fibra úmida, casca e elementos finos, bem como cavacos de madeira, indicando e ilustrando seus processos e obtenção, combustão, alimentação nas caldeiras e aspectos da queima destas diferentes biomassas, bem como importância partimentalizada de cada uma na geração de energia. Palavras Chave: bioenergia, painéis de média densidade, sustentabilidade, processos, co-geração. BIOMASS FOR POWER GENERATION IN A FIBERBOARD INDUSTRY: CASE STUDY ABSTRACT: For energy, biomass has many advantages in its use directly as fuel, such as (i) reduced emissions of pollutants, (ii) generally low SO 2 emissions from combustion and (iii) emissions of CO 2 released during the combustion of biomass can be considered virtually nil. Notably, the biomass used in the production of thermal energy is from various generating sites of industrial waste wood products: this is no different panels in the industry. In this context, the paper discusses aspects related to the main biomass used in the fiberboard industry for power generation: sanding dust and saw, wet and dry fiber, bark and fine elements, as well as wood chips, indicating and illustrating their processes and obtaining, combustion in boilers and power aspects of these different biomass burning as well as importance of each of the power generation. Keywords: bioenergy, MDF, sustentability, process, energy.

2 Ugo Leandro Belini, Mario Tomazello Filho, Marta Karina Leite, Juliano Gil N. Wendt, José Luís P.C. Lousada, Maria E. Galvão Diferentes Biomassas para Geração de Energia na Indústria de Painéis de Fibra: Estudo de Caso 1. INTRODUÇÃO Há muitas vantagens na utilização da biomassa diretamente como combustível, como exemplo as reduzidas emissões de poluentes (JOSÉ, 2004). O conteúdo de enxofre em biomassas geralmente é baixo, ocorrendo baixas emissões de SO 2 na combustão. As emissões de CO 2, liberadas durante a queima de biomassa, podem ser consideradas praticamente nulas, pois esse gás é reabsorvido no próximo ciclo de vida da planta, no processo de fotossíntese. Além disso, a madeira, por exemplo, contem baixo teor de cinzas (1% ou menos) o que reduz a quantidade de cinza que precisa ser disposta no meio ambiente, em comparação ao carvão mineral. A renovação da biomassa ocorre através do ciclo do carbono: a queima da biomassa ou de seus derivados provoca a liberação de CO 2 na atmosfera e as plantas, através da fotossíntese, transformam esse CO 2 nos hidratos de carbono, liberando oxigênio. Assim, a utilização da biomassa, desde que não seja de forma predatória, não altera a composição da atmosfera. Em todo o mundo, o interesse no uso de biomassa para energia tem crescido devido a: (i) redução da dependência de importação de petróleo; (ii) criação de empregos, visto que o trabalho com biomassa gera 20 vezes mais empregos que o trabalho com petróleo e (iii) benefício ambientais decorrentes da mitigação de emissões e redução de chuva ácida (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, s/d). Dentro de uma unidade de processo de painéis de fibra, a caldeira é um equipamento de elevado custo e responsabilidade, devendo-se primar pela performance, redução no consumo de energia, correta emissão de gases e segurança (MILANI et al, 2004). No Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável pela aplicação da NR-13, que regulamenta todas as operações envolvendo caldeiras e vasos de pressão no território nacional. Todos os combustíveis sólidos, em geral, ao adentrarem em uma região de combustão, passam por etapas de aquecimento, secagem, pirólise e combustão (fixação do carbono), conforme etapas ilustradas na Figura 1, sendo que a importância de cada uma delas varia de acordo com as propriedades do combustível sólido considerado. GASEIFICAÇÃO SECAGEM PIRÓLISE FIXAÇÃO DO CARBONO Figura 1: Etapas verificadas internamente a uma região de combustão (adap. de Vyncke, 2005). Por exemplo, para uma partícula de biomassa, com teores de umidade e de voláteis elevados, todas as etapas apresentadas são importantes. Já para uma partícula de coque, com baixo teor de umidade e voláteis, somente as etapas de aquecimento e combustão são relevantes (IPT, 2005).

3 XIV Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira (EBRAMEM 2014) de Abril, 2014, Natal, RN, Brasil Neste contexto, a presente avaliação identificou as principais biomassa utilizadas na indústria de painéis de fibras, bem como discorreu sobre aspectos referentes à morfologia, poder calorífico, estocagem e modos de alimentação nas caldeiras de geração de energia. 2. MATERIAL E MÉTODOS As amostras das diversas biomassas utilizadas na produção de energia em indústria de painéis de fibra foram coletadas na Unidade de Geração de Energia da empresa Duratex S.A Unidade Agudos (Agudos SP), em rotina de processo de produção de painéis MDF utilizando-se exclusivamente de Pinus sp como matéria prima madeireira. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A biomassa utilizada na fabricação de energia térmica é proveniente de diversos lugares geradores de resíduos industriais derivados de madeira: isto não é diferente na indústria de painéis. De modo geral, o esforço é para aproveitamento máximo de biomassas renováveis na produção energética, sendo que as principais biomassas utilizadas na industria de painéis de madeira estão descritas adiante Pó de lixadeira: obtido do processo de lixamento dos painéis de madeira e depositado em silo específico. Sua queima é considerada muito importante para o processo de fabricação de energia térmica nas fornalhas, pelo fato de apresentar alto poder calorífico. Possui também como característica granulometria bastante fina (conforme Figura 2), umidade baixa, alto poder de explosão e queima em suspensão. Pelo seu alto nível de geração rápida de energia, esta biomassa é utilizada no processo de queima como fator de controle da temperatura das fornalhas por possuir rápida resposta na produção da energia desejada pelo processo. Figura 2: Imagem ilustrativa da biomassa pó de lixadeira Fibra seca: proveniente do rejeito da linha formação Prensa MDF, conforme Figura 3, e armazenada em silo próprio. Possui como característica baixa densidade e é normalmente queimado (dosado) em pequenas proporções misturado a outros tipos de biomassa.

4 Ugo Leandro Belini, Mario Tomazello Filho, Marta Karina Leite, Juliano Gil N. Wendt, José Luís P.C. Lousada, Maria E. Galvão Diferentes Biomassas para Geração de Energia na Indústria de Painéis de Fibra: Estudo de Caso Figura 3: Imagem ilustrativa da biomassa fibra seca Fibra úmida: ilustrada na Figura 4, a fibra úmida é proveniente do sistema de partida e parada do desfibrador e também armazenada em silo próprio. A fibra úmida possui as mesmas características da fibra seca, citada anteriormente, mas com um agravante, o excesso de água (umidade) contida na mesma. Por possuir alta umidade, sua queima tem baixa eficiência na produção de energia, sendo normalmente queimada em pequenas proporções misturadas a outros tipos de biomassa. Figura 4: Imagem ilustrativa da biomassa fibra úmida Pó de serra: está ilustrado na Figura 5 e é oriundo dos processos de corte dos painéis MDF e também estocado em silo específico. Apresenta características semelhantes ao pó de lixadeira, como a baixa umidade deste material e um alto poder de explosão. Seu poder calorífico é equivalente também ao do pó de lixadeira. Seu transporte acontece junto às demais biomassas, sendo dosado em um transportador (esteira) que recebe outros tipos de biomassa.

5 XIV Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira (EBRAMEM 2014) de Abril, 2014, Natal, RN, Brasil Figura 5: Imagem ilustrativa da biomassa pó de serra Casca e finos: As cascas e os finos são resíduos originados do processo de produção, sendo a casca obtida do descascamento de toras do pátio de madeiras e os finos do processo de classificação dos cavacos para a fabricação de painéis MDF, sendo esta biomassa ilustrada na Figura 6. O armazenamento destes materiais acontece de forma conjunta em silo próprio. Devido às características do processo, a casca é a biomassa de maior volume disponível para queima e, portanto, a biomassa mais utilizada, mesmo possuindo alta umidade. Figura 6: Imagem ilustrativa da biomassa casca e finos Cavacos de madeira: biomassa proveniente do processamento de toras na serraria para confecção de paletes e ilustrada na Figura 7. Os cavacos só são utilizados no caso de falta dos outros tipos de biomassa, pois constituem-se de matéria-prima para produção de painéis.

6 Ugo Leandro Belini, Mario Tomazello Filho, Marta Karina Leite, Juliano Gil N. Wendt, José Luís P.C. Lousada, Maria E. Galvão Diferentes Biomassas para Geração de Energia na Indústria de Painéis de Fibra: Estudo de Caso Figura 7: Imagem ilustrativa da biomassa cavacos de madeira Alimentação da biomassa, geração dos gases e queima O sistema de alimentação de biomassa da Unidade de Geração de Energia é composto basicamente por: Silos de armazenagem; Roscas de extração; Correias transportadoras; Transportadores pneumáticos. Os tipos de materiais utilizados no processo de combustão (casca + finos + fibra seca + úmida e pó de serra) e a quantidade de cada material necessário para queima são selecionados através de valores em percentual de extração de cada silo, que variam de 0 a 100%, e que resultam na quantidade de ciclos de acionamento das correias transportadoras que abastecem as fornalhas. O material pó de lixadeira é o único material não queimado por meio de dosagem em correias transportadoras, mais sim, por meio de transporte pneumático, que direciona este material, com grande poder calorífico, de forma direta dentro de cada fornalha. O calor dos gases quente é utilizado para: Geração de vapor na caldeira; Aquecimento do óleo térmico da prensa e Secagem de fibra úmida para produção MDF. A temperatura dos gases quentes no interior da fornalha provenientes da queima da biomassa é de aproximadamente 1030 ºC, sendo que essa temperatura é alterada conforme a necessidade do processo produtivo, limitando-se a temperatura máxima de trabalho de 1050 ºC, para evitar danos à fornalha. Os gases usados na geração de vapor e aquecimento do óleo, após a troca térmica são direcionadas para câmara de mistura, onde se encontram com os gases com temperatura mais elevada provenientes da câmara de combustão. Na câmara de mistura a temperatura dos gases quentes é reduzida para 370 ºC através de injeção de ar frio (ambiente) sendo posteriormente filtrados pelo multiciclone para retirada de cinzas em suspensão e então usados no processo de secagem de fibras para produção MDF. O processo de queima da biomassa para se realizar por completo necessita de compostos como os combustíveis, o ar (oxigênio) e a alta temperatura. Na Tabela 1 há indicativo do poder calorífico da biomassa utilizada na queima em caldeiras em indústria de painéis de fibra.

7 XIV Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira (EBRAMEM 2014) de Abril, 2014, Natal, RN, Brasil Tabela 1: Poder calorífico de biomassas utilizadas em indústrias de painéis de fibras, onde PCS = poder calorífico superior. BIOMASSA PCS (kcal/kg) Pó de lixadeira (sander dust) 4000 Pó de serra (saw dust) 4000 Casca (bark) 3500 Cavaco (chip) 3500 Fibra seca (dry fiber) 4000 Oleo BPF (BPF oil) 9500 Observando-se os valores do poder calorífico dos materiais nota-se que os mesmos são muito próximos. Analisando-se somente a queima destes materiais, percebe-se grande diferença na queima relacionado ao seu comportamento na fornalha (combustores). Portanto, conclui-se que o diferencial entre os materiais disponíveis está na forma de alimentação (quantidade), na granulometria destes materiais e na densidade aparente dos mesmos. Nota 1: A fibra seca, mesmo tendo o poder calorífico próximo ao da casca produz o efeito de apagar a fornalha se dosado em grandes quantidades, devido a seu baixo peso específico (aproximadamente 27 Kg/m³) se comparados ao de casca, (255 Kg/m³). Isto ocorre devido à alimentação das fornalhas ser feito por volume (abastecimentos), onde um grande volume de fibra possui pouco peso de material para queima. Nota 2: Entre o pó de lixadeira e o pó de serra, existe outra situação onde o diferencial entre os dois é a forma de alimentação e queima, onde o pó de lixadeira é alimentado e queimado em aspersão e o pó de serra alimentado através de correias transportadoras e queimado de forma mais lenta e homogênea misturado aos outros tipos de materiais. Após a biomassa ter sido abastecida em cada fornalha, a mesma é direcionada para baixo através de conjuntos de grelhas existentes dentro de cada fornalha (fornalha em forma de cascata degraus). Estes conjuntos de grelhas são responsáveis pela movimentação do material dentro da fornalha. Cada conjunto de grelhas pode ser regulado de forma independente com relação ao seu tempo de avanço e seu tempo de recuo, sendo os mesmos muito importantes para evitar que a biomassa possa ser deslocada dentro da fornalha com pouca ou muita rapidez, melhorando ou prejudicando a produção de energia térmica. Fechando o ciclo de queima de biomassa, as fornalhas possuem a introdução de ar forçado, onde estes são divididos em dois tipos, sendo o ar primário (ar direcionado para queima, entrando de baixo da biomassa sendo introduzido através das grelhas frestas) e do ar secundário (ar direcionado sobre a biomassa formando turbilhão e melhorando a eficiência da queima materiais em suspensão). 4. CONCLUSÕES A presente avaliação permite inferir sobre as seguintes conclusões: - As biomassas utilizadas para geração de energia em indústria de painéis de fibra são: pó de lixa e de serra, fibra seca e fibra úmida, casca e elementos finos, bem como cavacos de madeira; - A biomassa casca, oriunda do processo de descascamento das toras de Pinus sp, é a principal matéria prima utilizada na geração de energia na indústria de painéis de fibra verificada;

8 Ugo Leandro Belini, Mario Tomazello Filho, Marta Karina Leite, Juliano Gil N. Wendt, José Luís P.C. Lousada, Maria E. Galvão Diferentes Biomassas para Geração de Energia na Indústria de Painéis de Fibra: Estudo de Caso - A granulometria, poder calorífico, formas de armazenamento e aspectos morfológicos das diferentes biomassas induzem diferentes porcentagens de composição e modos de alimentação nas caldeiras. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Duratex S.A, a FAPESP e o Departamento de Ciências Florestais da ESALQ/USP e à UFSC. 6. REFERÊNCIAS BIOMASS COMBUSTION AND CO-FIRING: AN OVERVIEW. International Energy Agency (IEA) - Bioenergy, s/d, 16 p. INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS IPT. Curso de Combustão Industrial Combustão de Sólidos. 2005, 67 p. JOSÉ, J.H. Combustão e combustíveis. Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Centro Tecnológico. Agosto de 2004, 45 p. MILANI, A.; WÜNNING, J.G. Advanced Combustion Equipment For Continuous Furnaces. IFRF Combustion Journal. Article Number , maio de VYNCKE Caldeiras. Concept Description, maio de 2005, 10 p. 7. NOTA DE RESPONSABILIDADE Os autores são os únicos responsáveis pelo que está contido neste trabalho.