COMBUSTÃO DE RESÍDUOS MADEIREIROS E A EMISSÃO DE MATERIAL PARTICULADO FINO S. S. AMARAL, J. A. CARVALHO JR., M. A. M. COSTA, J. E. FERNANDES, T. M. VIEIRA, C. PINHEIRO Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Pedregulho, 12.516-410-Guaratinguetá/ SP e-mail: simonesimoessi@gmail.com Universidade Estadual Paulista, Departamento de Energia RESUMO A combustão de materiais lignocelulósicos é uma das soluções alternativas para reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Resíduos do processamento industrial da madeira têm sido amplamente utilizados como matéria-prima energética. No entanto, são poucos os estudos que quantificam as emissões da queima destes biocombustíveis. Além da emissão de compostos gasosos, o carbono é emitido como material particulado fino, afetando negativamente a qualidade do ar e a saúde. Objetivou-se neste trabalho quantificar o material particulado com diâmetro inferior a 2,5 µm (PM 2,5 ), emitido durante a queima de resíduos madeireiros de pinus e eucalipto. Aproximadamente 4 kg de cada material lignocelulósico foram queimados. O equipamento utilizado para amostragem foi um DataRam4. Para garantir amostragem isocinética foram seguidas normas específicas. O fator de emissão de material particulado foi mais elevado na queima do pinus (12,39 g/kg), se comparado a do eucalipto (9,62 g/kg). Palavras-chave: Energia, PM 2,5, poluição. INTRODUÇÃO O processamento de espécies florestais, em indústrias madeireiras, gera uma variedade de resíduos. Tais resíduos são frequentemente utilizados no próprio processo produtivo, como fonte de energia. Segundo Ghafghazi et al. (2011) (1), o uso de biomassa de madeira, para gerar calor e energia, tem aumentado consideravelmente. A combustão de resíduos madeireiros pode ser de forma direta (casca, galhos, serragem, maravalha, cavaco, etc) ou utilizando resíduos previamente densificados (briquetes e pellets). Resíduos madeireiros são considerados combustíveis renováveis, além de serem tratados como uma das soluções alternativas para reduzir a emissão de 7741
poluentes da queima de combustíveis fósseis. No entanto, Kistler et al. (2012) (2) destacam que a combustão de biomassa também é uma fonte de compostos poluentes, como as partículas finas (PM 2,5 ). Videla et al. (2013) (3) citam que, na América do Sul, a queima de biomassa é uma das maiores fontes emissoras de partículas. Segundo Prado et al. (2012) (4), indivíduos expostos à elevadas concentrações de PM 2,5 apresentam alta incidência de problemas respiratórios, como diminuição da função pulmonar e elevação mais acentuada do estresse oxidativo. Considerando a utilização de resíduos madeireiros como fonte de energia, e os efeitos prejudiciais à saúde causados pela emissão de material particulado fino, objetivou-se com este trabalho a quantificação de PM 2,5, proveniente da combustão do cavaco de pinus e briquete de eucalipto. MATERIAIS E MÉTODOS Aproximadamente 4 quilos de cavaco de pinus e briquete de eucalipto, com teor de umidade de 10 %, foram submetidos à queima em um combustor modelo MDL 70 MRD. Ao longo da queima foram obtidos valores de concentração e diâmetro de PM 2,5. Amostragem de PM 2,5 A amostragem de PM 2,5 foi realizada continuamente, utilizando um DataRam4, Modelo DR 4000. O DataRam4 é composto por acessórios como sonda de amostragem isocinética e aquecedor de fluxo, conforme a Fig. 1. Para amostragem de PM 2,5, a sonda do DR4 foi posicionada em um ponto, na chaminé, definido conforme as especificações da norma CETESB, L9. 221 (1990) (5). Antes do início da amostragem, foi determinada a quantidade de pontos que deveriam ser medidos, para garantir amostragem significativa. Uma vez determinado a quantidade de pontos a serem medidos, ao longo da seção transversal da chaminé, calculou-se a posição destes (Tab. 1). A amostragem de material particulado foi conforme a norma britânica BS 3405 (1983) (6), que estabelece os procedimentos para amostragem isocinética. 7742
Figura 1- DataRam4 e acessórios: (a) sonda isocinética, (b) diluidor de partículas, (c) seletor de partículas, (d) aquecedor de fluxo e (e) amostrador omnidirecional. Tabela 1- Pontos de amostragem de PM 2,5 de acordo com a norma. Pontos de amostragem BS 3405 (1983) (6) Distância da parede da chaminé A 0.065 D 1.14 B 0.250 D 4.39 C 0.750 D 13.16 D 0.935 D 16.40 Distância da parede (D=17,54 cm) Para garantir amostragem isocinética, definiram-se algumas variáveis como: tipo da boquilha de amostragem e velocidade do fluxo de coleta no DataRam4. Neste trabalho, as velocidades do fluxo foram de 14,27 m/s e 15,49 m/s e as boquilhas de 3 K e 4 K, respectivamente para a biomassa de pinus e eucalipto. Definidos as variáveis de coleta isocinética, iniciaram-se os experimentos de queima e a amostragem de material particulado. Durante os experimentos foram coletadas amostras por um período de 46 minutos, para o cavaco de pinus, e 34 minutos, para o briquete de eucalipto. Cada ponto foi amostrado por cerca de 3 minutos. Fator de emissão PM 2,5 Para a determinação do fator de emissão médio de material particulado, subtraíram-se os backgrounds antes da queima, bem como o valor da umidade contida no ar. O cálculo do FE foi conforme proposto por França et al. (2012) (7). 7743
V.[ ] Total-chaminé FE = PM2,5 m comb(base seca) PM2,5 (A) Na Eq. (A): FE PM2,5 é o Fator de emissão de PM 2,5 (grama de PM 2,5 por kilograma de combustível seco queimado); V Total-chaminé é o volume total do fluxo gasoso na chaminé durante a queima (m 3 ); [ ]PM 2,5 é a concentração média de material particulado (µg/m 3 ) e m comb(base seca) é a quantidade de combustível seco consumido (kg). RESULTADOS E DISCUSSÃO A apresentação dos resultados, a cerca da concentração e diâmetro de PM 2,5, baseou-se nos valores mínimos, médios e máximos. Além de discussões sobre as concentrações e diâmetros das partículas, estas foram descritas em relação ao fator de emissão (FE). As concentrações máximas de PM 2,5, para o cavaco de pinus e briquete de eucalipto (Fig. 2), foram de 492.743 e 230.128 µg/m 3, respectivamente. Apesar de apresentarem pico de concentração as emissões de PM 2,5 mantiveram-se em torno de um valor médio de 62.913 e 43.321 µg/m 3, respectivamente para o cavaco de pinus e briquete de eucalipto. A queima do cavaco de pinus emitiu partículas em maior concentração, se comparado ao briquete de eucalipto. Percebe-se, pela Fig.2, que no final da queima ocorreu uma redução na concentração da partícula, isto para queima de ambos os materiais. Foi observada uma elevada variação na concentração de material particulado de 31 a 492.743 µg/m 3, para o cavaco de pinus. Para o briquete de eucalipto a variação foi de 25 a 230.128 µg/m 3. Os fatores de emissão de PM 2,5, resultante da queima do cavaco de pinus e briquete de eucalipto, foram respectivamente de 12,39 g/kg e 9,62 g/kg. Pode-se observar que a queima do briquete de eucalipto foi a que resultou na menor emissão de PM 2,5. Nos experimentos de Alves et al. (2011) (8), o fator de emissão de PM 2,5 durante a queima da biomassa de eucalipto também foi inferior ao do pinus, cujos valores foram respectivamente de 6,7 e 16,3 g/kg. 7744
Figura 2- Concentração de PM 2,5 (µg/m 3 ) versus tempo (s) para o cavaco de pinus e briquete de eucalipto. Na Fig. 3, pode-se visualizar a variação do diâmetro das partículas em função do tempo de queima, para o cavaco de pinus e briquete de eucalipto. Durante a queima do briquete de eucalipto, percebeu-se uma tendência na emissão de partículas de menor diâmetro nos primeiros instantes de queima, e um aumento ao longo do processo de combustão. O mesmo não foi observado nos experimentos de queima do cavaco de pinus, uma vez que em torno de 900 s o diâmetro da partícula foi máximo (0,97 µm). No final da queima, após 2.400 s, há uma tendência de aumento no diâmetro de material particulado. Possivelmente, a condensação de espécies voláteis sobre o núcleo de carbono, devido à redução da temperatura, tenha ocasionado o aumento da partícula em diâmetro. Elevada variação diametral foi percebida, tanto no experimento de queima do cavaco de pinus (0,08 a 0,97 μm), quanto no experimento referente ao briquete de eucalipto (0,03 a 0,96 μm). Apesar da elevada variação diametral, o diâmetro médio obtido para a queima do cavaco de pinus foi de 0,23 μm e para o briquete de eucalipto foi de 0,21 μm, ou seja, predominou a emissão de partículas finas na queima de ambas as biomassas. 7745
Figura 3- Diâmetro de PM 2,5 (µm) em função do tempo (s) para o cavaco de pinus e o briquete de eucalipto. A combustão do briquete de eucalipto resultou na emissão de partículas ainda menores (0,03 µm), que a combustão do cavaco de pinus (0,08 µm). Assim, o uso de briquetes de eucalipto podem produzir efeitos mais prejudiciais à saúde, que o cavaco de pinus, uma vez que quanto menor o diâmetro da partícula, maior sua facilidade de atingir regiões pulmonares mais profundas. Em contrapartida, o fator de emissão de PM 2,5 foi superior na combustão de pinus, em relação à combustão do eucalipto. Desta forma, na combustão de biomassa madeireira, Ghafghazi et al. (2011) (1) recomendam o uso de sistemas de limpezas de gases, como precipitadores eletrostáticos para controle da emissão de material particulado. CONCLUSÕES As principais conclusões para experimentos de queima do cavaco e do briquete foram: - Durante a queima das biomassas o diâmetro das partículas apresentou elevada variação, indicando a emissão de partículas caracterizadas como "partículas finas" (PM 2,5 ); - O fator de emissão de PM 2,5, durante a queima do cavaco de pinus, foi superior ao do briquete de eucalipto; 7746
- As partículas mais finas e prejudiciais à saúde foram emitidas durante a queima do briquete de eucalipto. AGRADECIMENTOS A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo FAPESP (projeto temático número 08/04490-4), pelo financiamento deste estudo. REFERÊNCIAS 1. GHAFGHAZI, S.; SOWLATI, T.; SOKHANSANJ, S.; BI, X.; MELIN, S. Particulate matter emissions from combustion of wood in district heating applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 15, n. 6, p. 3019 3028, 2011. 2. KISTLER, M.; SCHMIDL, C.; PADOUVAS, E. et al. Odor, gaseous and PM10 emissions from small scale combustion of wood types indigenous to Central Europe. Atmospheric Environment, v. 51, p. 86-93, maio 2012. 3. Videla, F. C., Barnaba, F., Angelini, F., Cremades, P., Gobbi, G.P.. The relative role of amazonian and non-amazonian fires in building up the aerosol optical depth in South America: a five year study (2005 2009). Atmospheric Research, v. 122, p. 298-309, 2013. 4. Prado, G. F., Zanetta, D.M.T., Arbex, M. A., Braga, A. L., Pereira, L. A. A., Marchi, M. R. R., Loureiro, A. P. M., Marcourakis, T., Sugauara, L. E., Gattás, G. J. F., Gonçalves, F. T., Salge, J. M., Terra Filho, M., Santos, U. P.. Burnt sugarcane harvesting: particulate matter exposure and the effects on lung function, oxidative stress, and urinary 1-hydroxypyrene. Science of the Total Environmen, v. 437, p. 200 208, 2012. 5. CETESB. L9. 221: Dutos e Chaminés de Fontes Estacionárias - Determinação dos Pontos de Amostragem, 1990. 6. BRITISH STANDARD METHOD. BS 3405: Measures of Particulate Emission Including Grit and Dust (Simplified Method), (1983). 7. FRANÇA, D. D. A.; LONGO, K. M.; NETO, T. G. S. et al. Pre-Harvest Sugarcane Burning: Determination of Emission Factors through Laboratory Measurements. Atmosphere, v. 3, n. 1, p. 164-180, 15 fev 2012. 7747
8. ALVES, C.; GONÇALVES, C.; FERNANDES, A. P.; TARELHO, L.; PIO, C. Fireplace and woodstove fine particle emissions from combustion of western Mediterranean wood types. Atmospheric Research, v. 101, n. 3, p. 692 700, 2011. TIMBER RESIDUE COMBUSTION AND EMISSIONS OF FINE PARTICULATE MATTER ABSTRACT The combustion of lignocellulosic materials is one of the alternative solutions to reduce the consumption of fossil fuels. Residue from industrial processing of wood have been widely used as energy feedstock. However, there are few studies that quantify the emissions from the burning of biofuels. In addition to the emission of gaseous compounds, carbon is emitted as particulate material thin, negatively affecting air quality and health. The aim of this study was to quantify particulate matter with diameter smaller than 2.5 µm (PM 2.5 ), emitted during the burning of residue of pinus and eucalyptus. Approximately 4 kg each lignocellulosic material were burned. The equipment used for sampling was a DataRam4. To ensure Isokinetic sampling were followed specific standards. The particulate matter emission factor in the burning of the pinus (12.39 g/kg) was higher than eucalyptus (9.62 g/kg). Key-words: Energy, PM 2.5, pollution. 7748