CARBONIZAÇÃO DA CASCA DE ARROZ (Oriza sativa)
PARA USO ENERGÉTICO
RUBEM CESAR RODRIGUES SOUZA1; EYDE CRISTIANNE SARAIVA DOS SANTOS2; MARCIA RODRIGUES MORAIS3; OMAR SEYE4
1
Engenheiro Eletricista, Dr., Diretor do CDEAM/UFAM – Manaus-AM. E-mail: rubem_souza@yahoo.com.br 2
Engenheira Agrônoma, Dra, Pesquisadora, CDEAM/UFAM – Manaus-AM: eyde_cristianne@yahoo.com.br 3
Química, Pesquisadora, Doutoranda, CDEAM/UFAM – Manaus – AM 4
Físico, Dr, Pesquisador, CDEAM/UFAM – Manaus -AM.
Apresentado no
XXXVI Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola 30 de julho a 02 de agosto de 2007 – Bonito – MS
RESUMO: O atendimento da demanda contínua de alimentos deve estar associado a medidas que
mitiguem possíveis impactos ambientais negativos ao mesmo, tempo que otimize a lucratividade da atividade produtiva. Buscando contribuir com a problemática do destino adequado aos resíduos produzidos por empresas que produzem e beneficiam arroz no Estado de Roraima, conduziu-se uma pesquisa para avaliar o seu uso como insumo energético. Embora existam informações sobre a composição da casca do arroz, o presente estudo visa complementar os dados disponíveis na literatura. Portanto, o objetivo dessa pesquisa foi realizar a caracterização energética da casca de arroz in natura e carbonizada. Para tal, foram realizados ensaios de composições químicas elementares, poder calorífico superior, análise imediata, massa específica aparente a granel, massa específica real e análises termogravimétricas (TG/DTA/DTG). Os resultados demonstram que a biomassa in natura quando carbonizada aumenta seu poder calorífico (18,65%), reduz significativa seu teor de voláteis (87%), e um aumento de 11,90% para 45,65% o teor de carbono fixo. As características físico-químicas apresentadas pelas cascas de arroz in natura e carbonizada indicam a possibilidade da sua utilização como fonte alternativa de energia; sendo recomendável, no caso do material carbonizado, um estudo de compactação para verificar a viabilidade técnico-econômica.
PALAVRAS–CHAVE: carvão, biomassa, energia.
CARBONIZATION OF RICE (Oriza sativa) RIND OF ENERGY USE
ABSTRACT: Attending to the continuous demand food must be associated with actions that mitigate possible negative impacts on the environment, while optimize the profitability of the productive activity. Searching for contributing with the problematic related to the proper destination of the residues produced by companies that produce and benefit rice in the State of Roraima, this research was carried on to evaluate its use as energetic input. The present study aims to complement the available data in literature. Therefore, the objective of this research was to investigate the energetic characterization of the rice rind in natura and carbonized. To achieve this goal, elementary chemical compositions, higher calorific power, immediate analysis, apparent specific mass in bulk, real specific mass assays, and termogravimetrics analyses (TG/DTA/DTG) had been carried on. The results demonstrate that carbonized in natura biomass has its calorific power increased (18.65%), its volatile content is significantly reduced (87%), and the fixed carbon content is increase from 11,90% to 45,65%. The physicist-chemistries characteristics presented by the rice rinds in natura and carbonized satte indicate the possibility of its use as alternative source of energy. In the case of the carbonized material, it is recommendable a study on compression in order to verify the technical and economic viability.
INTRODUÇÃO
O consumo do arroz pela população mundial é um hábito inquestionável e dificilmente sofrerá substituição. Em análise apresentada pelo International Rice Research Institute (IRRI, 1994) sobre projeção de oferta e consumo do arroz para o ano de 2025, ficou demonstrada a necessidade de um acréscimo de 200 milhões de toneladas aos 550 milhões atualmente produzidos para atender ao consumo mundial. Segundo o IRRI, tal produção só será parcialmente obtida pelos países asiáticos, maiores consumidores, tendo em vista as dificuldades de disponibilidade de terra, água e pela redução do crescimento da produtividade. Do exposto, fica evidente a necessidade da expansão de área para a produção do cereal e a região tropical do Brasil, tanto no ecossistema de terras altas quanto no de várzeas irrigadas, se apresenta como uma das principais alternativas para fazer frente ao desafio de suprir as necessidades mundiais.
Nesse contexto, surgem Estados com grandes possibilidades de expansão de área e produção, como é o caso de Roraima, com suas imensas várzeas irrigáveis e clima propício para a exploração da atividade durante todo o ano. O advento das Provárzeas em 1981/82 motivou o aproveitamento das várzeas existentes em Roraima, cerca de 160.000 hectares em potencial. Esses ecossistemas, principalmente localizados na região de lavrados (cerrados), apresentam topografia plana e facilidades para a mecanização agrícola e irrigação. A opção de ocupação dessas várzeas foi com o cultivo do arroz irrigado mecanizado, aproveitando a experiência com a cultura de agricultores imigrantes do sul do país. As várzeas de Roraima são caracterizadas por serem saturadas e/ou submersas durante o período chuvoso (abril a setembro) e secas durante o período de estiagem (outubro a março), quando são utilizadas para o cultivo de arroz irrigado, embora a existência de várzeas altas, que não inundam num período chuvoso, permite o cultivo durante o ano todo, com possibilidades de obtenção de até três safras por ano.
De forma geral, a produção crescente de alimentos, deve estar relacionada ao destino adequado de resíduos gerados no beneficiamento, de forma a não impactar negativamente o meio ambiente e, se possível, gerar uma fonte de renda adicional.
Observando as atividades do setor primário no Estado de Roraima, sobressai a significativa produção de arroz, abastecendo o mercado da região Norte do Brasil, sendo os resíduos gerados pela indústria depositados no aterro da cidade, podendo ter um destino mais nobre, qual seja: a geração de energia. Considerando que os resíduos vegetais são compostos de celulose, estes podem ser preparados de forma relativamente fácil para obtenção de energia devido a pouca umidade e a facilidade de serem pré-processados. Qualquer material para ser utilizado como energético precisa ser devidamente caracterizado afim de definir a rota tecnológica mais apropriada. Assim, embora existam informações sobre a composição da casca do arroz, o presente estudo visa complementar os dados disponíveis na literatura. Portanto, o objetivo dessa pesquisa é apresentar a caracterização energética da casca de arroz in natura e carbonizada, fornecendo subsídios para seu aproveitamento energético.
MATERIAL E MÉTODOS
As cascas de arroz pertencentes a um mesmo lote de amostras, o carvão obtido a partir da carbonização das cascas de arroz in natura e os briquetes produzidos a partir da prensagem do carvão vegetal com a fécula de mandioca, foram submetidos aos ensaios específicos para a determinação de suas características físico-químicas. Os ensaios foram realizados em escala laboratorial, sendo descritos a seguir. As composições químicas elementares das amostras em estudo foram determinadas através de um equipamento de microanálise Perkin Elmer-Series II 2400 CHNS/O Analyser. Foram realizadas no Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear e Análise Elementar, do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos – UFSCar. O poder calorífico
superior foi determinado através de uma bomba calorimétrica, a volume constante e sem escoamento
de combustível, de acordo com a norma NBR 8628, de outubro de 1984. A análise imediata das cascas de arroz foi determinada de acordo com a norma NBR 8112, de outubro de 1986. A massa
específica aparente a granel e a massa específica real foram determinadas segundo a norma
NBR8112 de outubro de 1986. As análises termogravimétricas (TG/DTA/DTG) foram realizadas em um termoanalisador Universal V 2.6 DTA Instruments, com taxa de aquecimento de 10oC/min, em atmosfera de ar sintético.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A casca de arroz in natura foi carbonizada a uma temperatura máxima de 600oC, obedecendo o gradiente de temperatura apresentado na Figura 1. O equipamento utilizado para realizar a carbonização da biomassa, de propriedade do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA (Figuras 2, 3, 4 a 5), é composto de uma retorta (um cadinho) feita em aço, contendo um sistema de controle de pressão e eliminação de gases de decomposição da matéria orgânica, e um forno tipo mufla circular, que faz o aquecimento da retorta.
Figura 1: Curva de queima utilizada para a carbonização da casca de arroz. Fonte: Souza, et al, 2005.
Figura 2: Retorta Figura 3: Forno da retorta
Figura 4: Detalhe das resistências do forno da retorta. Figura 5: Alimentação da retorta com casca de arroz in natura.
Fonte: Souza, et al, 2005. 0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 120 Tempo (min) T e mp er a tur a ( °C )
O rendimento gravimétrico da carbonização das cascas de arroz é apresentado na Tabela 1. Pode-se avaliar que o processo de carbonização foi satisfatório, devido a uma diminuição de 87% do teor de voláteis, e o aumento de 11,90% para 45,65% do teor de carbono fixo (Tabela 2).
Tabela 1: Rendimento gravimétrico da carbonização das cascas de arroz. Carvão (%) Líquido Pirolenhoso (%) Água (%) Gases Leves (%) 43,25 33,09 13,18 10,48
Fonte: Souza, et al, 2005.
De forma geral, o teor de voláteis da biomassa é muito alto e pode está na faixa de 65-83% (Lora et al, 1997), no caso da casca do arroz o teor mais baixo foi do material carbonizado (8,32%) enquanto que o material in natura 64,26%, um pouco inferior ao registrado na literatura.
Tabela 2: Análise imediata e poder calorífico da casca de arroz in natura e carbonizada.
Amostra Umidade (%) Cinzas* (%) Voláteis* (%) Carbono Fixo* (%) PCS Média (MJ/kg) Casca arroz in natura 10,61 23,84 64,26 11,90 12,92
Carvão casca arroz 4,66 46,04 8,32 45,65 15,33 Fonte: Souza, et al, 2005.
Nesse processo houve um acréscimo de 18,65% no poder calorífico superior, não sendo maior devido ao elevado teor de cinzas presentes na casca do arroz e no carvão produzidos, o que compromete o poder calorífico dessas biomassas e pode ser prejudicial ao equipamento caso a rota tecnológica seja a de gaseificação.
A análise química elementar do briquete e da casca de arroz in natura (Tabela 3) informa a ausência de nitrogênio e enxofre (não detectadas pelo equipamento), indicando que o processo de gaseificação do briquete resultará em um gás livre de NOx e SOx, gases ácidos que podem produzir corrosão no
equipamento, bem como poluir a atmosfera.
Tabela 3: Análise elementar do briquete e das cascas de arroz in natura. Elemento (% em peso)
Casca de arroz
H C N O S Cinzas
In natura 4,29 32,37 nd 43,28 nd 20,06
Carbonizada 2,45 51,02 nd 4,37 nd 42,16 Dados da literatura*para
amostra in natura 4,3 40,96 0,40 35,98 0,02 18,34 nd: Não determinado pelo equipamento (<0.002% em peso)
Fonte: Souza, et al, 2005; [*] Fonte: Cortez e Lora (1997).
A Termogravimetria Diferencial (DTG) e a Análise Térmica Diferencial (DTA) da casca de arroz in
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Casca arroz carbonizada Casca arroz in natura
D T G ( % / o C) Temperatura (oC)
Figura 6: TG das cascas de arroz in natura. Fonte: Elaboração própria.
A perda de massa ocorre por decomposição da matéria orgânica em múltiplos estágios. Pode-se observar na Figura 6 que a perda de massa da amostra de casca de arroz in natura ocorre em quatro estágios. O primeiro estágio inicia em temperatura ambiente e termina próximo de 110,0 oC , associado à eliminação de água. O segundo estágio inicia em 186,2oC e termina em 363,0oC, estando associado à decomposição dos extrativos e da celulose, constituintes da amostra. O terceiro estágio inicia em 364,0oC e termina em 396,8oC, associado à decomposição da hemicelulose. O quarto estágio inicia em 396,8oC e termina em 473,5oC estando associado à decomposição da lignina. Observa-se, na mesma Figura, que a perda de massa da casca de arroz carbonizada ocorre apenas em dois estágios. O primeiro, idêntico ao da amostra in natura, inicia-se em temperatura ambiente e termina próximo de 110oC , associado à eliminação de água. O segundo estágio em 241,7oC e termina em 537,0oC, estando associado à decomposição da lignina.
Através da Análise Termogravimétrica Diferencial (Figura 7) pode-se verificar que 99% das cascas de arroz in natura decompõem até 475oC, enquanto essa mesma porcentagem do carvão das cascas de arroz decompõe até 521oC.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 -1 0 1 2 3 4 5 6
exo
Casca arroz carbonizada Casca arroz in natura
DT
A (
oC/m
g
)
Temperatura (
oC)
Figura 7: DTA das cascas de arroz in natura e carbonizada. Fonte: Souza, et al, 2005.
A Análise Térmica Diferencial (Figura 7) confirma os dados apresentados pela curva de DTG, cujo pico endotérmico em forma de banda com máximo em 50oC, se prolongando até 110oC, confirma a saída de água contida na amostra. Os picos exotérmicos, em forma de bandas, com máximos em 323,0oC, 384,0oC e 424,7oC, confirmam a combustão dos extrativos, celulose, hemicelulose e lignina. De modo similar, a curva de DTA para o carvão vegetal das cascas de arroz, apresenta o pico endotérmico de saída de água e um pico exotérmico, em forma de uma banda intensa, na temperatura de 452,7oC, ocasionado pela combustão da lignina.
Os valores experimentais das massas específicas, real e aparente a granel, das cascas de arroz in
natura são apresentados na Tabela 4, onde é possível observar os valores muito baixos, que podem
implicar em maiores custos de transporte e dificuldades no manejo do resíduo, caso não seja feita uma compactação.
Tabela 4: Análise da massa específica real e aparente a granel das cascas de arroz. Massa específica aparente a granel * 114,1 kg/m3
Massa específica real g/cm3
[*] Contendo 10,61% de umidade Fonte: Souza, et al, 2005.
Ainda que o uso da casca do arroz seja uma realidade como insumo energético, a cinza resultante do processo de combustão pode ter outros usos como abrasivo para moagem, aditivo para cimento, aditivo para borracha, elemento filtrante e elemento clarificante (Carvalho e Vieira, 1999).
CONCLUSÕES
As características físico-químicas apresentadas pelas cascas de arroz in natura e carbonizada indicam a possibilidade da sua utilização como fonte alternativa de energia; particularmente para o uso em sistemas de gaseificação. No caso do material carbonizado recomenda-se um estudo de compactação para verificar a viabilidade técnico-econômica da sua utilização energética.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro da empresa Boa Vista Energia S/A – BOVESA pelo financiamento da pesquisa.
REFERÊNCIAS
SOUZA, R.C.R.; SEYE, O.; SANTOS, E.C.S.; MORAIS, M.R.; DINIZ, J.T.A. BARROS, A.O.; BARROSO, L.N. Estudo do aproveitamento de biomassa para produção de eletricidade no Estado de Roraima. Relatório final. CDEAM/UFAM, Manaus, 43p. ilust., 2005.
CARVALHO, J.L.V.; VIEIRA. N.R.A. Usos alternativos. Anais: In: A Cultura do arroz no Brasil. EMBRAPA, 1999.
CORTEZ, L. A.; LORA, E.S. (Coord.) Tecnologias de conversão energética da biomassa. Manaus: EDUA/EFEI, 1997.
