PRODUÇÃO E ANÁLISES FÍSICO-QUÍMICA DE UM CARVÃO ALTERNATIVO COMO FONTE DE ENERGIA Carlos Guilherme Lopes Grotto¹; Douglas Henrique Pereira². ¹Aluno do curso de Engenharia de bioprocessos e biotecnologia, campus de Gurupi-TO, email: cguilhermelopes@gmail.com PIBITI-CNPQ. ²Orientador do curso de Química Ambiental, campus de Gurupi-TO, email: doug@mail.uft.edu.br RESUMO Segundo o Ministério de Minas e energia - MME (2016), aproximadamente 10% da matriz energética brasileira se deve a utilização de carvão vegetal e/ou lenha. Isso ocorre porque o mesmo apresenta alto poder calorífico e fácil combustão, características ideias para a utilização em industrias. Entretanto devido à alta emissão de gases poluentes e metais potencialmente tóxicos seu uso torna-se questionável, já que contribui para o aumento de problemas ambientais e de saúde pública. Desta forma surge à necessidade de se obter novas fontes de calor que minimizem as agressões a natureza e ao ser humano, visto que o desuso do carvão é inviável. Partindo desse conceito o presente trabalho tem como objetivo desenvolver e analisar um combustível sólido alternativo. Assim, produziu-se uma substância utilizando um resíduo agroindustrial (palha de arroz), argila e fécula de mandioca, na proporção mássica inicial de 4-2-1 respectivamente, posteriormente melhorada para 10-5-1. Após a junção dos materiais, a substância originada foi moldada cubos para facilitar as análises. Foram realizados testes comparativos de poder calorífico indireto, densidade, umidade e resistência térmica. O produto obtido foi de forma rígida e tamanho uniforme. Através das análises realizadas observou-se que o combustível possui características semelhantes à do carvão vegetal podendo assim ser apresentado como uma alternativa viável em termos físico-químicos. Palavras-chave: Resíduo; Combustível; Alternativa. INTRODUÇÃO No mundo contemporâneo a utilização de carvão vegetal e lenha é acentuado. Isso é ocasionado porque a queima desse tipo de material ocorre de forma eficiente, apresentando poder calorifico favorável e viabilidade em termos econômicos, o que corrobora para sua utilização em larga escala principalmente em indústrias. Página 1
No Brasil, segundo a Empresa de Pesquisa Energética EPE (2015), 8,1% de toda matriz energética nacional é proveniente do uso de carvão vegetal e lenha, sendo 84% desse uso destinado a indústrias. O consumo de carvão vegetal está diretamente relacionado ao setor industrial, em especial à indústria siderúrgica. (UHLIG, 2008). Entretanto devido à alta emissão de gases poluentes na atmosfera seu uso tornase questionável, já que contribui para o aumento de problemas ambientais como aquecimento global e o efeito estufa. Além disso, existem também os problemas relacionados à saúde humana, já que a fumaça emitida na queima do carvão vegetal é prejudicial ao ser humano, por causar doenças respiratórias, e cardiovasculares devido à emissão de metais potencialmente tóxicos (MENGEL & KIRKBY, 2001). Desta forma surge à necessidade de se obter novas ideias para a criação de fontes alternativas de calor que minimizem as agressões ao meio ambiente, mas que sua utilização seja semelhante à do carvão vegetal, já que o desuso imediato do mesmo é totalmente inviável para a sociedade atual que lhe é dependente energeticamente. Segundo Bazzo (2005), a palha de arroz possui percentuais de carbono fixo que a permitem ser utilizada para queima e geração de energia. Além disso, a mesma quando queimada apresenta teores menores de emissão de monóxido de carbono (CO) que o carvão vegetal, o que a torna possível alternativa energética. Porém a baixa resistência térmica dificulta a sua utilização em larga escala já que essa característica não é favorável para caldeiras de indústrias. Seria possível então agregar à palha de arroz a outros resíduos e assim aumentar sua resistência, obtendo dessa forma uma alternativa viável energeticamente? Partindo dessa hipótese o presente trabalho apresenta uma proposta de produção e utilização de um combustível sólido, com características semelhantes à do carvão vegetal, tornando-o utilizável nas mesmas funções, porém minimizando as agressões ao meio ambiente e as emissões de materiais tóxicos no meio. Tais parâmetros são estudados através de analises físico-químicas comparativas entre o material produzido e amostras de carvão vegetal através de experimentos realizados no laboratório de química dos materiais na Universidade Federal do Tocantins, campus de Gurupi. Página 2
MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente realizou-se uma vasta revisão bibliográfica e visitas técnicas à industrias. o combustível produzido foi denominado carvão alternativo para facilitar o entendimento. Fabricação do carvão alternativo Para a produção do carvão, são necessários três materiais: fécula de mandioca, argila e palha de arroz. A fabricação do carvão alternativo consiste em quatro etapas: trituração da palha de arroz, preparação da fécula de mandioca, dissolução da argila e junção dos materiais. A metodologia que será exemplificada em seguida, se refere à produção de aproximadamente 500g de carvão. Trituração da palha de arroz Em um liquidificador foi adicionado aproximadamente 200g de palha de arroz. A mesma foi então triturada por um minuto. O material obtido foi transferido para um recipiente de poliestireno. Preparação da fécula de mandioca Em um recipiente de vidro colocou-se 20 g de fécula de mandioca, após isso adicionou-se demasiadamente 100ml de água destilada, levando o recipiente ao fogo e movimentado até formar uma substância pastosa. Dissolução da argila Em um recipiente de plástico colocou-se 100 g de argila na forma sólida. Após isso adicionou-se 100ml de água destilada demasiadamente, formando assim uma substância pastosa de cor marrom. Junção dos materiais Juntou-se em um recipiente de plástico os três materiais. Inicialmente se adicionou ao recipiente com argila, a palha de arroz tritura realizando a mistura. Após isso se acresceu a fécula de mandioca, mexendo essa mistura durante alguns minutos, até formar uma substância pastosa de cor negra. Secagem do carvão Após a mistura dos materiais, a substância obtida foi moldada em uma forma de gelo plástica. Durante seis horas o material ficou exposto à luz solar para secagem. Página 3
Análises comparativas Nessa etapa serão demonstrados os testes realizados para se obter comparações do carvão produzido com o carvão vegetal. Densidade As amostras de carvão vegetal e alternativo foram colocadas em béquer e aferidos a massa com auxílio de uma balança analítica. Em seguida foi adicionado 50mL de água destilada em uma proveta graduada (100mL) sendo então realizada a pesagem. As amostras dos carvões foram então colocadas na proveta observando-se a variação no volume da água. Foi possível aferir a densidade das amostras através da fórmula: (Mamostra)/(VFinal-VInicial). Teor de Umidade As amostras de carvão vegetal e alternativo foram trituradas em um cadinho com auxílio de um pistilo e colocadas em béquer para aferição da massa em uma balança analítica. Após isso as amostras foram transferidas para um cadinho higienizado e realizou-se novamente a pesagem. O material foi então colocado em uma estufa com temperatura ajustada para 100 C durante 1h e 30min. Após esse processo as amostras foram novamente, observando-se assim a perda de massa úmida. É possível assim identificar a porcentagem de umidade através da fórmula: (100xN)/P, em que N é a diferença de massa entre a pesagem inicial e afinal do experimento e P é o valor inicial aferido da amostra. Determinação do poder calorifico indireto Localizou-se quatro estruturas de material cerâmico (para simular a estrutura de uma caldeira) formando uma estrutura quadrangular, onde se adicionou aproximadamente 200 g de cada tipo de carvão. Em um béquer foram adicionados aproximadamente 100 ml de água destilada, colocada acima da estrutura. O carvão foi aceso com o auxílio de um pedaço de papel encharcado em álcool. Após aproximadamente 15 min (tempo para que o carvão acendesse) se mediu a temperatura da água com um termômetro de mercúrio em um intervalo de tempo de 5 minutos durante aproximadamente trinta minutos. RESULTADOS E DISCUSSÃO Carvão produzido Página 4
Após a secagem o material foi retirado da forma, originando pedaços de carvão. O mesmo apresentou formato sólido e consistente. Densidade Tabela 1- Média das análises de densidade. Nas tabelas apresentadas observou-se que os valores de densidade obtidos analisando o carvão alternativo foram maiores em relação ao carvão vegetal. Segundo BRITTO et al (1982), a densidade é uma propriedade importante na utilização de carvão vegetal na siderurgia, e não havendo prejuízo para as outras propriedades, a mesma deve ser a maior possível. Diante disso, o carvão alternativo mostrou maior eficiência em termos de densidade em uma comparação direta com o carvão vegetal. Umidade Tabela 2 - Média das análises de Umidade. Na questão da umidade é amplamente conhecido que o seu teor no carvão vegetal deve ser o mais reduzido possível para o uso siderúrgico. Uma das razões é que a maior parte da água introduzida junto com o carvão é eliminada do interior do altoforno na forma de vapor (BRITO, 1993). Com os dados obtidos observou-se que o carvão alternativo apresentou menor teor de umidade em relação ao carvão vegetal, o que segundo o autor citado é vantajoso para o uso do mesmo em fornos de siderúrgicas. Poder calórico indireto No gráfico abaixo pode-se comparar a temperatura final obtida nas três repetições do experimento. Página 5
Gráfico 1 - Poder calorífico indireto Observou-se que a temperatura final nos experimentos utilizando o carvão vegetal foram maiores após um período de vinte minutos. A maior variação de temperatura pode ser explicada através da maior quantidade de carbono presente no carvão vegetal que possibilita a queima mais eficiente. Com esse experimento foi possível observar que o carvão vegetal apresenta maior poder calorifico indireto, porém o aumento na quantidade de carbono utilizado pode fazer com que o carvão alternativo aumente a capacidade de gerar calor. LITERATURA CITADA BRITO, José Otavio, et al. Estimativa da densidade a granel do carvao vegetal partir de sua densidade aparente. IPEF, 1982. BRITO, Jose Otavio. Reflexões sobre a qualidade do carvão vegetal para uso siderúrgico. IPEF, Piracicaba, Circular Técnica, n. 181, 1993. MENGEL, K. and KIRKBY, E. A. Principles of plant nutrition, Kluwer Academic Publishers. p.849,2001. MINISTERIO DE MINAS E ENERGIA MME. Relatório Síntese. Balanço Energético Nacional BEN 2015. Empresa de Pesquisa Energética EPE, Rio de Janeiro, 2016. UHLIG, Alexandre; GOLDEMBERG, José; COELHO, Suani Teixeira. O uso de carvão vegetal na indústria siderúrgica brasileira e o impacto sobre as mudanças climáticas.revista Brasileira de Energia, Vol. 14, No. 2, 2 Sem. 2008, pp. 67-85. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq Brasil. Página 6