A caracterização de um combustível deve ser feita por procedimentos padronizados que resultam na determinação da análise aproximada, da análise elementar, da análise elementar das cinzas e do poder calorífico. Os estudos realizados por (Hassuani et al. 2005) subclassificaram a palha de cana em três categorias: as folhas verdes, as folhas secas e as pontas da planta. Esses materiais apresentam características distintas quanto à umidade e a concentração de metais alcalinos e de outros componentes(Carvalho, 2011).
A análise imediata determina os teores de umidade, carbono fixo, voláteis e cinzas do combustível sólido. Estes teores servem para prever o comportamento do combustível no processo de combustão. O poder calorífico superior representa a energia liberada na combustão completa do resíduo, incluindo a entalpia de vaporização da água formada na combustão. Para aplicações práticas, é útil calcular-se o poder calorífico inferior, que depende da umidade presente no combustível e cujo valor exclui a entalpia de vaporização tanto da água formada como da umidade.
cinzas, foram realizadas por Tufaile Neto, (2005), para cada parte dos resíduos separadamente, folhas secas, folhas verdes e pontas. Os materiais apresentaram variações na composição, principalmente em relação ao teor de umidade. A Tabela 2.5 apresenta os resultados obtidos pelos autores.
Tabela 2.5. Análise imediata dos constituintes da palha da cana e do bagaço de cana.
Constituintes (%) Folhas secas Folhas verdes Pontas Bagaço
Teor umidade 13,5 67,7 82,3 50,2
Material volátil 84,5 80,6 79,3 79,9
Carbono fixo 11,6 15,7 16,4 18,0
Cinzas 3,9 3,7 4,3 2,2
Fonte: Tufaille Neto (2005).
A análise elementar, realizada separadamente para cada parte da palha, indica praticamente a mesma composição em carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e enxofre. O teor de cloro é consideravelmente diferente em relação ao bagaço, o que potencialmente indica maiores problemas na queima da palha em relação ao bagaço. Na Tabela 2.6 são apresentados resultados da composição média, a partir da análise elementar, da biomassa residual da cana-de-açúcar.
(Carvalho, 2011).
Tabela 2.6. Análise elementar dos constituintes da palha da cana e do bagaço de cana.
Componente Folhas secas Folhas verdes Pontas Bagaço
Carbono 46,2 45,7 43,9 44,6 Hidrogênio 6,2 6,2 6,1 5,8 Oxigênio 43,0 42,8 44,0 44,5 Nitrogênio 0,5 1,0 0,8 0,6 Enxofre 0,1 0,1 0,1 0,1 Cloro 0,1 0,4 0,7 0,02
Fonte: Tufaille Neto (2005).
A análise das cinzas de uma biomassa é de fundamental importância para a definição do nível crítico e suas condições de utilização como combustível em cadeiras. As propriedades de interesse nas análises de cinzas são a composição e a fusibilidade das cinzas. Estes parâmetros dão subsídios para avaliar a possibilidade de ataque ou corrosão aos materiais refratários, ou a possibilidade de fusão de cinzas no sistema de combustão ou deposição nas superfícies de transferência de calor. É de interesse também a análise das cinzas para identificação de óxidos alcalinos como Na2O e K2O que volatilizam e condensam a temperaturas por volta de 760°C, ocasionando incrustações em partes frias dos geradores de vapor que são tipicamente as superfícies de troca de calor. A análise de cinzas dos resíduos da colheita, foram obtidas por alguns autores em
Tabela 2.7. Composição elementar das cinzas dos resíduos da colheita da cana.
Componente Folhas secas Folhas verdes Pontas Bagaço
P2O5 0,5 2,0 2,5 0,5 K2O 2,7 13,3 29,5 1,7 CaO 4,7 3,9 2,6 0,7 MgO 2,1 2,2 2,5 0,5 Fe2O3 0,9 0,5 0,2 2,3 Al2O3 3,5 1,4 0,5 2,3 Na2O 0,001 0,001 0,001 0,04
Fonte: Tufaille Neto (2005).
Diversos autores afirmam que os óxidos que apresentam maiores problemas ligados à formação de incrustações em superfícies, são os óxidos de silício (SiO2), óxido de potássio (K2O) e óxido de sódio (Na2O). Nos resultados apresentados na tabela 2.7 referente às análises realizadas por (Tufaile Neto, 2005), foram encontradas concentrações significativas de óxido de potássio (K2O) principalmente nas análises das folhas verdes e pontas da planta.
A Tabela 2.8 apresenta análises típicas da composição das cinzas do bagaço de cana obtidas a partir da literatura.
Tabela 2.8. Composição elementar das cinzas do bagaço de cana
(%) Óxidos Rein, 2007 Camargo,1990 et al., 1998Jenkins Turn et al.,1997 Gabra et al.,2001 Manyà and Arauzo,2008
SiO2 75,20 46,00 46,61 41,87 72,30 64,29 Al2O3 2,70 2,80 17,69 22,25 8,00 3,44 Fe3O3 2,60 3,00 14,14 20,90 6,20 3,69 Ti3O2 0,01 0,53 2,63 3,87 0,60 1,25 P2O5 1,46 - 2,72 1,13 0,90 2,89 CaO 6,90 5,40 4,47 3,50 4,20 4,84 MgO 1,70 0,79 3,33 1,45 2,30 1,33 Na2O 0,60 0,50 0,79 0,26 1,00 0,31 K2O 5,10 23,00 0,15 2,59 4,50 14,34 SO3 2,70 - 2,08 0,90 - 0,97 MnO2 0,02 7,30 3,33 - 0,10 0,54 Outros 0,92 10,55 2,06 1,28 -0,10 1,41 Total 99,91 100 100 100 100 100 Cinzas 2,00 4,00 2,44 3,61 7,40 5,02 Análise Termogravimétrica
As análises térmicas são consideradas complementares e fundamentais para identificar as etapas durante o processo de combustão da biomassa e na sua caracterização como combustível. A análise termogravimétrica (TGA) é uma ferramenta útil para se analisar o comportamento de um
resíduo ou combustível sólido em relação a um aumento controlado de temperatura e em ambiente com atmosfera inerte ou oxidante (Heikkinen et al, 2004). Este método consiste em se aquecer uma amostra de matéria em um forno com temperatura (ou taxa de aquecimento) controlada, medindo-se a perda de massa desta amostra com uma balança de precisão, acoplada ao forno. Diversas informações podem ser extraídas de uma análise térmica, tais como a temperatura de devolatilização, a temperatura de início de descarbonização do material e outras informações.
3 ANALISE DO CONSUMO DE ENERGIA EM TRÊS SISTEMAS DE
RECOLHIMENTO DE PALHA DE CANA
O Brasil apresenta um excepcional potencial para o aproveitamento energético dos resíduos gerados pela colheita da cana-de-açúcar. No entanto, o aproveitamento desses resíduos depende da disponibilidade dos mesmos e da implantação de um sistema de recolhimento, transporte e preparação para utilização como combustível nas usinas. Estas operações consomem uma importante parcela de energia, principalmente o consumo de óleo combustível utilizado nas operações de campo de recolhimento e nas unidades de transporte. Há também a utilização da energia elétrica, gerada a partir dos próprios resíduos.
A avaliação do consumo de energia nestas operações é importante para determinar quanto representa este consumo no total de energia gerada pelo próprio resíduo e identificar o sistema mais eficiente e com menor consumo de energia.
Um extensivo trabalho de pesquisa em campo foi feito por Hassuani et al. (2005), a fim de obter índices de produtividade de resíduos de campo da cana-de-açúcar e testar diversas operações de recolhimento da palha de cana. As operações que envolvem o processo de recolhimento dos resíduos gerados pela colheita da cana, são essencialmente formadas por adensamento, carregamento, transporte, separação e limpeza dos resíduos. No cenário atual, as operações apresentam limitações para o investimento e aplicação em larga escala, devido principalmente à necessidade de adequação e desenvolvimento de equipamentos específicos para o recolhimento, gerando uma incerteza quanto à forma de recuperação mais eficiente tecnicamente e economicamente viável.
A colheita, carregamento e o transporte representam cerca de um terço do custo de cana na usina no Brasil (Hassuani et al. 2005). Michellazzo e Braunbeck (2008) estudaram seis formas de recolhimento e transporte da palha de cana a fim de estimar o custo final do palhiço recuperado e levado até a usina de processamento. Os autores concluíram que o menor custo da palha é oferecido pela colheita integral da cana e palha, seu transporte e a separação dos mesmos na usina. No entanto, esse método não está totalmente desenvolvido e há incertezas quanto ao desempenho e consumo de energia.
Estudos foram realizados por Ripoli (2007) para avaliar o desempenho de enfardadoras de forragem na recuperação e recolhimento dos resíduos da colheita da cana, visando a determinação do consumo de combustível, eficiência energético do processo e custos do processo. Os resultados apresentaram viabilidade na aplicação em campo, obtendo diversos índices para as operações
envolvidas no sistema de recolhimento.
Em trabalho realizado por Torrezan (2003) foram avaliados parâmetros de desempenho das operações de enleiramento e enfardamento prismático de resíduos da colheita da cana. Diversos índices foram obtidos como a produtividade dos resíduos, capacidade efetiva, consumo de combustível e eficiência energética das operações de enleiramento e enfardamento. Os resultados indicaram alta eficiência nas operações e viabilidade técnica no recolhimento da palha de cana.
O sistema de recolhimento de palha a granel por colhedora de forragem foi investigado por
Franco (2003) a fim de avaliar o desempenho dos equipamentos utilizados e a influência do sistema
de enleiramento no desempenho do recolhimento da palha de cana a granel. Foram obtidos parâmetros de operação como, velocidade de trabalho, capacidade operacional, consumo de combustível e produtividade, nas operações de enleiramento e recolhedora a granel.
Os índices de produtividade dos resíduos deixados no solo, investigados por diversos autores e apresentados na Tabela 2.3, são parâmetros fundamentais para definir os métodos e equipamentos adequados para cada rota de recolhimento avaliada.
Uma avaliação da produtividade dos resíduos da colheita da cana-de-açúcar, e dos métodos de recolhimento e transporte da palha de cana, foi realizada nesse capítulo, como também uma estimativa do consumo de energia nestas operações. Além disso, foi feita uma análise das principais dificuldades e necessidade de desenvolvimento tecnológico e do potencial de geração de energia devido ao aproveitamento da palha de cana.