CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA E CALORIMÉTRICA DE CASTANHOLA Correia, Tiago B., Nascimento Jr., Adalberto F., Drummond, Ana Rita, Cardoso, A. e Peres, Sérgio POLICOM - Laboratório de Combustíveis e Energia Escola Politécnica de Pernambuco, Universidade de Pernambuco Rua Benfica, 455 Madalena Recife PE CEP 50.720-001 Autor Correspondente: Sérgio Peres sergperes@gmail.com, fone: 55-81-3184.7502 RESUMO Nas grandes metrópoles, resíduos vegetais são encaminhados diariamente para os aterros sanitários. Neste estudo constatou-se que a castanhola, frutos do pé de castanhola ou amendoeira, Terminalia Catappa Linn (da família Combretaceae), bastante comum nas praças da cidade de Recife (nordeste do Brasil) seguem para os aterros, mas, poderiam ser utilizadas como fonte de energia térmica. Suas características energéticas e composição foram determinadas no POLICOM, e apresentaram os seguintes resultados: - poder calorífico inferior (PCI) de 16.511 kj/kg (umidade de 16,91 ± 1,68%); composição química percentual (m/m) com 44,71% C, 6,23% H, 0,89% N, 0,29% S e 44,65% O; teor de umidade 16,91, 95,51% voláteis, 1,28 % de carbono fixo e 3,23% de cinzas. Estes resultados demonstram que a castanhola possuem propriedades energéticas mais desejadas (PCI mais alto e teor de cinzas mais baixo) que outras biomassas que são amplamente utilizadas para geração de energia como o bagaço de cana que com umidade de 50% tem um PCI de aproximadamente 9.650 kj/kg (ao sair da moenda) e 13% de cinzas. Logo, as características energéticas apresentadas nesta pesquisa, evidenciam o desperdício energético ao se desprezar o uso desta abundante biomassa. Palavras Chaves: Poder calorífico, análise elementar, energia da biomassa, Terminalia Catappa Linn 1. INTRODUÇÃO De tempos em tempos, a sociedade mundial acorda para uma nova realidade, muitas vezes incerta e desconfortável, desencadeada por uma crise, necessidade ou diversos outros motivos. Seus hábitos e atitudes até então eram cômodos, resultados de descrenças e acima de tudo carência de informação. A quebra de paradigmas faz-se necessário através de mudanças. Estas mudanças estão ocorrendo com novas formas de se obter energia da natureza, no caso das fontes de energia renováveis. As fontes renováveis de energia assumem importante presença no mundo contemporâneo, por razões de cenários futuros, como a possível finitude de reservas de petróleo, o elevado custo de extração, as mudanças climáticas com as emissões de gases de efeito estufa, pelo uso intensivo de combustíveis fósseis. Diante destes cenários diversos países estão alterando e inserindo nas suas matrizes energéticas as fontes de energia renováveis, dos quais a biomassa faz parte.
A biomassa, termo que foi inicialmente introduzido por Eugene Adam, é constituída pelo material produzido por todos os seres vivos (animais, vegetais, fungos e protistas) em seus diferentes processos, isto é, a matéria orgânica viva desde quando fixa energia solar nas moléculas constituintes nas suas células, passando por todas as etapas da cadeia alimentar ou trófica (BRISTOTI, 1993). Quando os laços adjacentes entre moléculas de carbono, hidrogênio e oxigênio são quebrados por combustão, digestão, ou decomposição, estas substâncias liberam sua energia química armazenada. A utilização da biomassa como matéria prima de conversão depende das propriedades químicas e físicas das moléculas (MCKENDRY, 2002). Fonseca (2009) define, de forma abrangente, a biomassa como sendo qualquer combustível ou matéria bruta derivados de organismos que estiveram vivos recentemente. Tal definição claramente exclui os tradicionais combustíveis fósseis que, mesmo tendo sido derivados de matéria orgânica vegetal e animal, necessitaram de milhões de anos para sua conversão na forma que são encontrados atualmente. Com exceção de algumas microalgas e matérias com altos índices de umidade, a biomassa se caracteriza, essencialmente, por ser uma matéria carbonada em estado sólido. Basicamente, a biomassa é um hidrocarboneto, ou seja, quimicamente constituída por carbono C e hidrogênio H, o qual possui átomos de oxigênio O na sua composição química, diferentemente dos combustíveis fósseis. A presença desse átomo ( O ) faz com que a biomassa requeira menos oxigênio do ar, sendo menos poluente, mas consequentemente sua quantidade de energia a ser liberada é reduzida, diminuindo assim o seu poder calorífico superior (PCS) (NOGUEIRA; RENDEIRO, 2008). O poder calorífico superior ou poder calorífico bruto, que supõe que a água da combustão é totalmente condensado, o qual representa o calor liberado pela combustão tendo toda a água resultante na fase líquida. Por outro lado, poder calorífico inferior (PCI) representa o calor liberado pela combustão estando toda a água resultante no estado gasoso. Portanto, a diferença entre eles é a entalpia de vaporização da água formada na reação e da água previamente existente no combustível. Nas grandes metrópoles, resíduo vegetal é encaminhado diariamente para os aterros sanitários; neste estudo constatou-se que os frutos de uma árvore da espécie Terminalia Catappa Linn (da família Combretaceae) que pode ser encontrada comumente nas praças da cidade de Recife segue para os aterros e poderiam ser utilizadas como fonte de energia. No Brasil, esta árvore recebe os seguintes nomes populares: amendoeira, amendoeira-da-praia, amendoeira-da-índia, guarda-sol, chapéu-de-sol e castanhola. A castanhola, como será chamada nesta pesquisa, cresce em regiões tropicais e subtropicais, particularmente localizadas em áreas costeiras. Essa espécie é nativa de áreas próximas a regiões costeiras do Oceano Índico, na Ásia tropical e da região que compreendem várias ilhas a oeste do Oceano Pacífico, como Malásia, Indonésia e ilhas da região da Melanésia. Foi introduzida no Brasil como árvore ornamental, sendo comum a utilização de seus frutos com fins recreativos por crianças que vivem em regiões litorâneas. A história conta que a castanhola, originária da Índia, já era bastante comum nas praias
do Brasil logo após o primeiro século da chegada dos europeus. Supõe-se que suas sementes tenham chegado misturadas às areias tomadas na Ásia e utilizadas como lastro nos navios portugueses (TEIXEIRA, 2010). Os frutos da planta castanhola raramente são aproveitados para fins alimentícios e são encaminhados para os aterros sanitários. Este estudo visa avaliar a viabilidade do uso desses frutos para fins de aproveitamento energéticos, desta forma foram investigados os valores calóricos (PCS e PCI) e a sua composição elementar (C, H, N, O, S). 2. METODOLOGIA Todos os ensaios foram realizados no POLICOM (Laboratório de Combustíveis e Energia) da Universidade de Pernambuco, em no mínimo triplicata. 2.1 Coleta dos frutos Quantidades significativas de frutas são produzidas de 3 a 5 anos após a plantação, com frutificações regulares de uma a duas vezes ao ano. A amostra cabocla, ou seja todos os frutos foram coletados de árvores distintas, foram encontradas na Praça do Derby, no centro do Recife - PE. A Figura 1 (à esquerda) mostra alguns dos frutos que foram coletados, apresentando características maduras. Depois de coletados, todos os frutos (cerca de 10 quilos) foram levados para o POLICOM e depois secos ao ambiente natural, moídos e passados em peneira de para realização das análises. Ainda na Figura 1 (à direita) pode ser visto a amostra depois de moída e peneirada, pronta para os experimentos. (a) (b) Figura 1: Fruto da Terminalia c. Linn (castanhola): (a) como coletada; (b) seca e triturada para os experimentos. (a) 2.2 Experimentos em Laboratórios Os experimentos para caracterização físico-química e energética das sementes da castanhola foram realizados com uso dos seguintes equipamentos: calorímetro, balança termogravimétrica e analisador elementar. As análises de PCS foram realizadas com o calorímetro IKA C-2000. Os PCI s das amostras foram calculados após as titulações da água de formação durante a combustão ao efetuar o PCS, conforme
instruções da IKA. Tanto PCS quanto o PCI de uma determinada biomassa é a propriedade físicoquímica mais importante a ser considerada para a escolha de um processo termoquímico. Segundo Nogueira (2008), o PCS representa o calor liberado, ou seja, a quantidade máxima de energia que pode ser obtida da transferência de calor do combustível. Nogueira (2008) aponta PCI como à quantidade de calor liberado durante a combustão sendo que a água está no estado de vapor. O PCI é calculado a partir do PCS, porém considerando o teor de umidade que está presente no combustível, ou seja, corresponde à quantidade de calor útil para acontecer à queima da biomassa esta análise retrata melhor a qualidade do combustível. O poder calorífico segundo Quirino (2011) é a quantidade de calorias liberadas por um material em sua combustão completa. Quando ocorre combustão completa de uma unidade de combustível este libera energia térmica e é geralmente medido em termos da energia por conteúdo por unidade de massa ou volume, daí MJ/kg (sólidos), a MJ/L para líquidos e por fim para gases para MJ/Nm 3. De uma maneira geral, essa propriedade depende da composição da biomassa e do seu grau de umidade. Salienta-se que o poder calorífico é a quantidade de energia liberada durante a combustão, assim quanto mais energia liberada, maior a eficiência do processo; o PCI corresponde à quantidade de calor útil para acontecer à queima da biomassa esta análise retrata melhor a qualidade do combustível, tornando-o assim mais importante para esta análise. Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nas máquinas térmicas, a água contida neles se encontra sempre no estado de vapor. Portanto, deve-se considerar sempre o PCI e não o PCS. As análises elementares fornecem os percentuais mássicos dos elementos carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N), oxigênio (O) e enxofre (S) contidos na amostra da biomassa. Os experimentos foram realizados no equipamento Vario MACRO da empresa Elementar de acordo com a norma ASTM D5373-93. As análises imediatas foram realizadas na balança termogravimétrica DTG 60 da empresa Shimadzu, que forneceu os valores para o teor umidade, compostos voláteis, carbono fixo e cinzas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Nesta pesquisa os frutos da árvore castanhola foram utilizados, pois, são abundantes na Região Metropolitana do Recife e possuem um potencial de geração de energia que por ora está sendo desperdiçado. Os resultados dos experimentos de calorimetria, análise elementar e termogravimetria são mostrados nesta seção. 3.1 Calorimetria A calorimetria é uma ferramenta fundamental para os pesquisadores, industrias/empresas que trabalham com fontes renováveis de energia; modernos e rápidos equipamentos foram desenvolvidos nestes últimos anos. A Tabela 1 apresenta a média dos resultados dos poderes caloríficos inferior e superior para as sementes de castanhola nesta pesquisa, para cinco ensaios. Tabela 01: Valores de PCS e PCI da castanhola. Amostra PCS (kj/kg) PCI (kj/kg)
Média 16.739,00 ±47,10 16.516,00±39,02 Desvio Padrão 105,33 87,26 Na Tabela 2 são apresentados os PCI para diversas biomassas disponíveis no Nordeste do Brasil, inclusive os PCI s obtidos nesta pesquisa (sementes da castanhola). Ao comparar os resultados obtidos com outros valores de PCI de biomassas já utilizadas como combustível que podem ser encontradas em literatura (Odebrecht, 2014) observa-se que o PCI da castanhola é mais elevado que os PCI(s) de outras biomassas, como o bagaço de cana que com umidade de 50% tem um PCI de aproximadamente 9.650 kj/kg (ao sair da moenda) e 13% de cinzas (Peres, 1997) ; isto enfatiza todo o desperdício energético ao se desprezar os frutos da castanhola em aterros sanitários e não aproveitar o potencial energético desta biomassa abundante em regiões litorâneas do Nordeste, em particular no Recife. Tabela 2: PCI de diversas biomassas. Biomassa PCI (kj/kg) Bambu (10% de água) 15.491,16 Bagaço de cana (20% de água) 13.397,76 Casca de arroz (12% de água) 13.816,44 Casca de algodão 12.560,40 Castanhola (desta pesquisa) 16.511,00 Elaborado pelos autores (Fonte: Odebrecht, 2014) 3.2 Análise elementar A análise elementar da castanhola forneceu dados importantes referentes a sua composição química fornecendo os teores percentuais (m/m) de C, H, N, O e S. Estes valores percentuais estão ilustrados na Tabela 3. Tabela 3: Composição elementar da castanhola. Análise Elementar (%) Amostra Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxofre Média 44,71 (%) ± 0,18 6,23 (%) ± 0,03 44,65* 0,89 ± 0,01 0,29 ± 0,01 Desvio Padrão 0,39 0,07 0,03 0,01 * Valor foi obtido por diferença de 100% massa. 3.3 Análise Imediata Esta análise forneceu os valores percentuais em m/m de: umidade, compostos voláteis, carbono fixo e cinzas, como podem ser visto na Tabela 4. Os compostos voláteis são os mais importantes, pois é exatamente quando eles são liberados na queima que ocorre a maior liberação de energia do processo. Tabela 4: Análise imediata da castanhola. Analise Imediata Umidade (%) Voláteis* (%) Carbono Fixo* (%) Cinzas* (%) 16,91 ± 1,68 95,50 ± 1,77 1,28 ± 0,65 3,23 ± 1,38 *Em base seca.
4 CONCLUSÕES Durante muito tempo o uso energético da biomassa não era considerado devido ao seu baixo PCI, em comparação aos combustíveis fósseis e a logística de coleta e transporte. Por isso, ela era mais utilizada localmente, sendo o combustível mais utilizado em países em desenvolvimento para fornos, fornalhas e para fogões. Entretanto, as crises do petróleo da década de 1970 e a alteração do clima (efeito estufa e chuva ácidas) tiveram papel significativo para alterar esta visão, pois o uso da biomassa como fonte de energia passou a ser encarado como uma opção alternativa em substituição aos derivados de petróleo e ter um perfil de desenvolvimento sustentável com utilização de combustíveis com baixa ou nenhuma emissão de carbono. Logo, a castanhola aparece como uma alternativa energética que visa a contribuir com a geração de energia utilizando biomassa, pois, o PCI de 16,5 MJ/kg e o baixo teor de cinzas (3,23%) são características melhores quando comparado com as de outras biomassas comumente usadas para geração de energia, e portanto, viabiliza tecnicamente o seu uso como energético. 4. REFERENCIAS Bristoti, Anildo & Silva, Jairo L. dos S. Diagnóstico da utilização e da oferta da biomassa vegetal no Rio Grande do Sul. Núcleo de Energia, PROMEC, UFRGS, Porto Alegre, 1993. FONSECA, A. D. Biomass-to-liquids: uma contribuição ao estudo da obtenção de biocombustíveis sintéticos através da síntese Fischer-Tropsch. Dissertação (mestrado) Programa Interunidades de Pós- Graduação em Energia, Universidade de São Paulo São Paulo, 2009. DEMIRBAS, M.F., Balat, M., Biomass pyrolysis for liquid fuels and chemicals: A review, Journal of Scientific and Industrial Research, 66, 2007, pag. 797-804. MCKENDRY, P. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource Technology, Volume 83, Número 1, maio 2002, p. 37-46, 2002. NOGUEIRA, M. F. M.; RENDEIRO, G. Caracterização Energética da Biomassa Vegetal. BARRETO, Eduardo José Fagundes (Coord). Combustão e Gaseificação da Biomassa Sólida: Soluções Energéticas para a Amazônia. Brasília: Ministério de Minas e Energia, 2008. p. 52-63. ODEBRECHT Agroindustrial. Aproveitamento Energético de Resíduos e biomassa. Apresentação Odebrecht Agroindustrial. 2014. PERES, S., Catalytic Indirectly heated Gasification of Sugarcane Bagasse, Ph.D. Thesis, University of Florida, 1997. QUIRINO, W. F. Utilização Energética de Resíduos Vegetais. Disponível em: http://www.mundoflorestal.com.br/arquivos/aproveitamento.pdf. Acessado em 18/19/2014. TEIXEIRA, H. L. Composição Química e Perfil de Ácidos Graxos da Castanha do Fruto da Castanhola (Terminalia Catappa Linn). Itapetinga-BA: UESB, 2010. 60p. (Dissertação Mestrado em Engenharia de Alimentos, Engenharia de Processo). <http://www.ambientebrasil.com.br/> Acessado em 16/09/2014. <http://www.ika.com/owa/ika/catalog.product_detail?iproduct=8801800> Acessado em 20/09/2014.