UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE SAÚDE E TECNOLOGIA RURAL UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA FLORESTAL
CAMPUS PATOS – PB
POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL DE Bambusa vulgaris Schrad. CULTIVADO EM TIMON – MA.
PATOS – PARAÍBA – BRASIL 2014
JAILY KERLLER BATISTA DE ANDRADE
POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL DE Bambusa vulgaris Schrad. CULTIVADO EM TIMON – MA.
Monografia apresentada à Unidade Acadêmica de Engenharia Florestal – UFCG, Campusde Patos – PB, como parte dos requisitos para conclusão de curso.
Orientadora: Drª. Elisabeth de Oliveira.
PATOS – PARAÍBA – BRASIL 2014
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DO CSTR
A553p Andrade, Jaily Kerller Batista de
Potencial de produção de carvão vegetal de Bambusa vulgaris Schrad. cultivado em Timon – MA / Jaily Kerller Batista de Andrade. – Patos, 2014.
35f.: il. color.
Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Florestal) –
Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Saúde e Tecnologia Rural.
“Orientação: Profa. Dra. Elisabeth de Oliveira”. Referências.
1. Biomassa florestal. 2. Fontes energéticas. 3. Bambu I. Título.
JAILY KERLLER BATISTA DE ANDRADE
POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL DE Bambusa vulgaris Schrad. CULTIVADO EM TIMON – MA.
Monografia apresentada à Universidade Federal de Campina Grande, Unidade Acadêmica de Engenharia Florestal, para obtenção do Grau de Engenheiro Florestal, nível graduação.
APRESENTADA EM: 08/04/2014
Prof.ª. Dr.a. Elisabeth de Oliveira (UAEF/UFCG) Orientadora
Prof. Dr. Carlos Roberto Lima (UAEF/UFCG) Examinador I
Prof. Dr. Leandro Calegari (UAEF/UFCG) Examinador II
Dedico este trabalho aos meus familiares por todo apoio nos momentos de dificuldades e pelo incentivo na realização desse sonho.
AGRADECIMENTOS
Deixo aqui, meus sinceros agradecimentos a todos que contribuíram no desenvolvimento dessa pesquisa, me desejando força, paciência e coragem para enfrentar os obstáculos diários da vida.
Ao meu pai, João Claudino de Andrade pela educação que me destes e pelo sacrifício e bravura em suas idas à cidade de São João do Rio do Peixe para me buscar à noite na rodoviária, serei eternamente grato.
À minha mãe Anita Batista de Andrade (in memoriam) que mesmo não estando presente aqui na terra, mas estará para sempre em meu coração. Agradeço-te mãe, por cada momento que passamos juntos.
À minha avó Cândida Fernandes de Freitas (Mainha) (in memoriam) pelos seus grandes ensinamentos, os quais levarei sempre comigo e pelo sentimento doce e amargo ao mesmo tempo de suas lembranças.
Às minhas tias Zélia e Lina pelo amor e carinho e por estarem sempre presentes nos momentos em que mais precisei.
Aos professores do curso de Engenharia Florestal, em especial à professora Elisabeth de Oliveira pelos dois anos que trabalhamos juntos e por me aceitar como orientado, acreditando em meu potencial.
Aos amigos de sempre Bruno, Júnior, Diógenes, Alicy, Caio, Servássio, Julieth, Claudino, Cássio, Mônica, Romeu, Lívia, Lucélia, Aninha e Leandro por fazerem parte da minha vida.
E por último, mas não menos importante, agradeço aos funcionários do RU Galega, Dona Coca, Dona Maria, Ciça, Soró, Chaguinha e Dona Fátima, muito obrigado.
ANDRADE, Jaily Kerller Batista de. Potencial de produção de carvão vegetal de Bambusa vulgaris Schrad. cultivado em Timon – MA. 2014. Monografia (Graduação) Curso de Engenharia Florestal. CSTR/UFCG, Patos – PB, 2014. 35 f.
RESUMO
A biomassa florestal é a principal fonte para a produção energética no Brasil, contudo, a madeira proveniente de ecossistemas naturais tem sido a mais visada para sua produção. Em decorrência da escassez de matéria prima (madeira) para produção energética, alguns setores tem se empenhado com grandes esforços para a produção de seus próprios insumos. Uma alternativa a essa problemática é a utilização do bambu na produção de carvão vegetal, pois é uma espécie tolerante aos mais diversos tipos de ambientes e apresenta boa capacidade produtiva nos mais variados tipos de solos. Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo avaliar o potencial de produção de carvão vegetal de Bambusa vulgaris Schrad. cultivado em Timon – MA. As amostras foram coletadas num plantio florestal com uma área total de 48,56 ha dividida em quatro talhões (tratamentos), localizado no município de Timon – MA. Em seguida, levadas ao Laboratório de Tecnologia da Madeira da UFCG/CSTR, onde se determinou a densidade básica dos colmos do bambu, o rendimento em carvão, rendimento em líquido pirolenhoso, gases incondensáveis e análise química imediata. A densidade básica média do bambu foi de 490 kg/m3, não apresentando diferença significativa entre as médias dos quatro tratamentos. O rendimento médio em carvão vegetal foi de 39,05%, sendo que os tratamentos 1 e 4 apresentaram os maiores valores, com médias de 40,34% e 39,85%, entretanto não diferiram estatisticamente. O rendimento médio em gases condensáveis foi de 12,17%. A densidade aparente variou de 1,945 a 2,833 g/cm3. Os teores médios de materiais voláteis, carbono fixo e rendimento em carbono fixo foram respectivamente 28,55%, 64,11% e 25,04%, não apresentando diferença significativa entre os tratamentos. De acordo com as análises realizadas, verificou-se que o carvão vegetal produzido a partir dos colmos de Bambusa vulgaris Schrad. possui potencial para comercialização e utilização como fonte energética.
ANDRADE, Jaily Kerller Batista de. Production Potential of vegetable coal of Bambusa vulgaris Schrad. Cultivated in Timon – MA. 2014. (Graduation) Monograph Forestry Engineering Course. CSTR/UFCG, Patos –PB, 2014. 35p.
ABSTRACT
The forest biomass is the main source for the energy production in Brazil, however, the wood originated from the natural ecosystems has attracted the most attention for its production. As a result of the scarcity of raw material (wood) for the production of energy, some sectors have committed themselves with great efforts to produce their own inputs. An alternative for this problem is the usage of bamboo in the production of vegetable coal, as it is a species which is tolerant to various types of environment and presents a good productive capacity in the most varied types of soil. In this context, the present study aimed to assess the production potential of vegetable coal of Bambusa vulgaris Schrad, cultivated in Timon –MA. The samples were collected in a forest planting with a total area of 48,56 ha divided into four stands (treatments) , located in the municipality of Timon – MA. Subsequently, taken to the Laboratory of Wood Technology of the UFCG/CSTR, where the basic density of the bamboo poles, the efficiency in the conversion into coal, efficiency in pyrolysis liquid, incondensable gases and immediate chemical analysis were determined. The average basic density of the bamboo was of 490kg/m3, not presenting significant difference between the averages of the four treatments. The average yield in vegetable coal was of 39,05%, and the treatments 1 and 4 presented higher values, with averages of 40,34% and 39,85%, however they did not differ statistically. The average yield of the condensable gases was of 12,17%. The apparent density varied from 1,945 to 2,833 g/cm3. The average contents of volatile materials, fixed carbon and fixed carbon efficiency were respectively 28,55%, 64,11% and 25,04%, not presenting significant difference among the treatments. According to the analysis carried out, it was verified that the vegetable coal produced from the poles of Bambusa vulgaris Schrad. has potential for commercialization and use as an energy source.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 10
2 REFERENCIALTEÓRICO ... 12
2.1 Biomassa de fontes florestais para geração de energia ... 12
2.1.1 Bambu ... 12
2.2 Contexto energético da biomassa ... 13
2.3 Parâmetros da qualidade da madeira... 14
2.3.1 Densidade ... 14
2.4 Processo de carbonização da madeira ... 15
2.4.1 Carbonização da celulose ... 16
2.4.2 Carbonização das hemiceluloses ... 16
2.4.3 Carbonização da lignina ... 17
2.5 Carvão vegetal ... 17
2.5.1 Parâmetros de Qualidade do Carvão ... 18
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 20
3.1 Localização e caracterização da área do plantio ... 20
3.2 Amostragem ... 21
3.3 Densidade do bambu ... 22
3.4 Carbonização em escala de laboratório ... 22
3.5 Rendimento gravimétrico ... 23
3.6 Densidade aparente do carvão vegetal ... 23
3.7 Análise química imediata ... 24
3.8 Análises dos resultados ... 25
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 26
4.1 Densidade básica dos colmos ... 26
4.2 Rendimentos gravimétricos ... 27
4.3 Análise química imediata ... 29
5 CONCLUSÕES ... 30
10 1 INTRODUÇÃO
O carvão vegetal é o produto resultante do processo de termodegradação da madeira na presença de calor, também denominado “destilação seca”. Entretanto, quando se realiza esse processo, obtêm-se outros subprodutos: uma fração gasosa, que pode ser utilizada como combustível nesse processo; e uma fração líquida, o licor pirolenhoso e o alcatrão.
A participação do consumo de carvão vegetal está distribuída principalmente nos setores industrial, residencial e comercial. Contudo, dentre esses seguimentos, um que merece maior destaque e preocupação econômica e ambiental é o setor de siderurgia, uma vez que este remonta um setor primário da indústria de base e grande consumidor de carvão vegetal. (MELO et al., 2008; BRASIL, 1990; BROTEL et al., 2007 ; FONTE et al., 2004).
Seja no cozimento de alimentos ou apenas como fonte de aquecimento, a madeira sempre esteve presente na historia da humanidade como fonte de energia, dentre outros usos. O uso de carvão vegetal como redutores de minério de ferro remontam do Sec. IX, nas forjas catalãs. Sua utilização na indústria de ferro nacional teve inicio por volta de 1587, na manufatura de utensílios domésticos, cravos e ferramentas. Porém, mesmo mais de um século após a produção do primeiro ferro-gusa em Sorocaba (1813), o carvão vegetal de origem clandestina de grande valor biológico e baixa eficiência energética, ainda continua sendo o principal pilar das exportações de ferro-gusa no Brasil (MELLO, 2001).
A biomassa florestal é uma das principais fontes para a produção energética no Brasil, sendo a madeira proveniente de ecossistemas naturais tem sido a mais visada, com o comprometimento de Cerrados, Mata Atlântica e Caatinga. A maior utilização desta se concentra nas regiões Sul, Sudeste e Nordeste, onde o manejo inadequado desses biomas aliada e a pressão conservacionista, eleva cada vez mais a necessidade de madeira originada de plantios florestais (BRITO; DEGLISE, 1990).
No Brasil, grande parte do carvão produzido é proveniente da exploração de florestas nativas que por sua vez, pode causar sérios danos ao ecossistema florestal, como a extinção dos indivíduos arbóreos existentes no local. Este fato deve-se principalmente ao manejo inadequado da terra para as práticas agrícolas ou pecuárias que se seguem ao desmatamento dessas áreas, onde a produção de
11 madeira de reflorestamento não é uma preocupação comercial. Desse modo, os recursos florestais ficam cada vez mais escassos, gerando uma situação de falta de matéria prima para a siderurgia em longo prazo.
Em decorrência da escassez de matéria prima (madeira) para produção energética, alguns setores tem se empenhado com grandes esforços para a produção de seus próprios insumos. Uma alternativa a essa problemática é a utilização do bambu na produção de carvão vegetal. Espécie tolerante aos mais diversos tipos de ambientes, apresenta boa capacidade produtiva nos mais variados tipos de solos, com melhor desenvolvimento vegetativo em solos arenosos e leves com elevado teor de matéria orgânica e boa drenagem, essencial para o ciclo de vida vegetativa de espécies tropicais. Entretanto, estudos sobre bambu ainda são escassos nesse campo, o que torna este trabalho um importante aliado para futuros estudos sobre a temática.
Dessa forma, o presente estudo objetiva avaliar potencial de produção de carvão vegetal de Bambusa vulgaris Schrad. cultivado em Timon – MA.
12 2 REFERENCIALTEÓRICO
2.1 Biomassa de fontes florestais para geração de energia
A biomassa florestal detém um forte atrativo como fonte potencial de energia, por apresentar qualidades desejadas na produção de carvão vegetal (velocidade e facilidade de crescimento, plantio e colheita). Nesse contexto a biomassa é um hidrato de carbono, que possui átomos de O2 na sua composição química, diferindo
dos combustíveis fosseis. A presença desse átomo faz com que a biomassa requeira menos oxigênio atmosférico, menos poluente, mas consequentemente a quantidade de energia a ser liberada é reduzida assim como seu poder calorífico superior (NOGUEIRA, 2003; COSTA, 2004).
Para a maioria das biomassas, o principal atrativo para a sua utilização é a alta produtividade em termos de matéria seca por hectare por ano. Podemos citar as gramíneas forrageiras como um bom exemplo, lembrando que o bambu também pertence a esta família.
A biomassa do bambu depende da espécie botânica, da qualidade do solo, do tipo do solo, do clima, entre outros fatores. A produtividade pode variar entre 50 a 100 ton/ha/ano, dependendo da espécie e condições locais. Há exemplo da espécie Phyllostachys edulis que possui uma biomassa (verde) aproximada de 56 ton/ha/ano distribuídos em 78% nos colmos, 15% nos galhos e 7% nas folhagens (LÍESE, 1985).
No processo de conversão da biomassa, as dificuldades dessa fase variam de acordo com o seu tipo e características. As propriedades físicas (granulometria, massa especifica, densidade e teor de umidade) e químicas influenciam na qualidade do produto final, o carvão vegetal. Nesse contexto torna-se importante uma boa avaliação dessas características para um melhor proveito da sua conversão e qualidades, evitando a exploração de uma biomassa de baixa eficiência energética (BRAND, 2010).
2.1.1 Bambu
Acredita-se que a origem da palavra bambu surgiu devido ao barulho causado pela explosão dos colmos, os quais em contato com o fogo emitem um som
“bam-13 boo”. Outras denominações para esta planta como: taboca e taquara foram empregadas pelos índios aqui no Brasil (SOUZA NETO, 2009).
Os bambus são considerados espécies de porte não arbóreo pertencentes à família das gramíneas e a subfamília Bambusoideae. Apresenta 45 gêneros e pouco mais de mil espécies em todo mundo, sendo que grande parte da biodiversidade dessa planta encontra-se nos continentes Americano, Asiático e Africano (LOPEZ, 1974).
Grande parte das espécies de bambus existentes em nosso país foi trazida no período da colonização pelos portugueses e difundiram-se facilmente devido a ausência de predadores naturais. As espécies mais comuns são: Bambusa vulgaris, Bambusa vulgaris variedade wittata, Bambusa tuldoides, Dendrocalamus gigantes e Dendrocalamus latiflonnus (COSTA, 2004).
Algumas diferenças entre bambus herbáceos e bambus lenhosos foram descritas por Filgueiras e Gonçalves (2004) com base nas características morfológicas e comportamento das espécies quanto à tolerância ao sol (Quadro 1).
Quadro 1 – Diferenças entre bambus herbáceos e lenhosos.
Parâmetros Características Herbáceas Características Lenhosas
Comprimento 2 m 1 – 35 m
Ramificações simples complexas
Consistência do colmo não lignificado lignificado
Folha do colmo ausente presente
Lígula externa ausente presente
Expo. direta ao sol intolerante tolerante
Flores unissexuais bissexuais
Florescimento contínua (policárpico) Sazonal (monocárpico)
Fonte – Filgueiras e Gonçalves (2004).
2.2 Contexto energético da biomassa
O Brasil é atualmente o maior produtor e consumidor mundial de carvão vegetal, devido em grande parte a sua geografia, despontando como um grande produtor de biomassa. Porém boa parte do suprimento de carvão vegetal é alimentado a partir do comprometimento das florestas nativas (Mata Atlântica, Caatinga e Cerrado). Nota-se com isso, a necessidade de um melhor aporte de replantio florestal além de melhorias na qualidade da biomassa produzida no Brasil (MELO et al., 2008).
14 A demanda mundial por fontes alternativas de energia tem crescido significativamente nos últimos anos e desperta o interesse internacional pelo potencial brasileiro (FEITOSA NETTO et al., 2006). Na siderurgia, o carvão vegetal é utilizado, simultaneamente, como redutor e fornecedor de calor para a produção de minérios de ferro. (BRASIL, 1990; BROTEL et al., 2007; FONTE et al., 2004).
2.3 Parâmetros da qualidade da madeira
Sendo a madeira a matéria-prima para a produção de carvão vegetal, sua qualidade é diretamente ligada à qualidade da matéria-prima (madeira) empregada. Portanto, variações naturais podem ocorrer na qualidade do produto da madeira: entre espécies, entre árvores de uma mesma espécie, dentro de uma mesma árvore e pela sua idade (OLIVEIRA et al., 2010).
Para a produção de carvão vegetal, é importante que a madeira apresente elevada densidade (OLIVEIRA et al., 2006; CARMO, 1988; PIMENTA et al., 2010). Vários autores citam uma correlação positiva entre densidade, teor de lignina e qualidade do carvão. Esse processo é influenciado ainda pela presença de extrativos na madeira (OLIVEIRA, 2003; PIMENTA et al., 2010; BURGER e RICHTER, 1991).
Fatores que também implicam na qualidade da madeira para fins energéticos relacionam-se com a sua composição química elementar, não havendo diferenças consideráveis em relação às madeiras de diferentes espécies. Os principais elementos existentes são o C (50 %), o H (6 %), o Oxigênio (44%) e o N (1%), em baixas quantidades. Ainda Ca, K, Mg, S (quantidades ínfimas) e outras substâncias minerais existentes na madeira (KLOCK et al., 2005; PIMENTA et al., 2010).
2.3.1 Densidade
Densidade básica da madeira é a qualidade mais preconizada dentre as propriedades físicas da madeira (CARDOSO et al., 2002; OLIVEIRA, 2003; 2006; CARMO, 1988; PIMENTA et al., 2010). É a relação entre a massa seca da madeira e o seu volume saturado, representa a proporção do material lenhoso por unidade de volume ou o volume dos espaços vazios presentes na mesma, sendo um parâmetro
15 muito utilizado para avaliar o potencial de utilização da madeira para diversos fins (LIMA et al., 2000; VALÉRIO et al., 2008).
Contudo, não se deve considerar a densidade como índice isolado de qualidade da madeira. Sua composição química (lignina, hemicelulose e celulose) e características anatômicas também são indicadores de qualidade (WENZL, 1970; BRASIL et. al., 1977; OLIVEIRA, 2003).
Na manufatura do carvão vegetal é preconizado um carvão de densidade elevada, a maior possível. Para tanto, a densidade da madeira afeta diretamente a produção de carvoaria, uma vez que uma matéria-prima mais densa resulta em um maior rendimento em carvão e mais denso, geralmente com maior teor de carbono fixo, com vantagens para alguns de seus usos. (BRITO, 1993). Madeiras com altos níveis de lignina e extratos possuem densidade elevada, madeiras menos densas possuem níveis de hemicelulose superiores. (OLIVEIRA 1988), as melhorias das características do carvão vegetal tem se focado, principalmente, na densidade básica da madeira (BRITO, 1990).
2.4 Processo de carbonização da madeira
A carbonização é o processo pelo qual se elevam os teores de carbono fixo da madeira por meio de tratamento térmico de seus três principais componentes (celulose, as hemiceluloses e a lignina). Na compreensão da transformação desses componentes, seus mecanismos e reações, têm-se desenvolvido vários modelos e pesquisas sobre carbonização. Esse processo exige tempo e temperatura adequada sobre a peça de madeira a ser pirolisada, a qual exposta ao calor irá degradar seus principais componentes, gerando um resíduo de carvão e líquido pirolenhoso, que apresenta vários compostos, dos quais mais de 213 já foram identificados. (OLIVEIRA et al., 1982).
Segundo o Forest Products Laboratory (1953), citado por Bastos Filho (1988), o processo de carbonização da madeira apresenta as seguintes fases:
Abaixo de 200 °C – Secagem da madeira;
De 200 a 280 °C – liberação de ácido acético, metanol, água, CO2, etc (fase endotérmica);
De 280 a 380 °C – emissão do primeiro grupo de substâncias voláteis (fase dos hidrocarbonetos,);
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De 380 a 500 °C – formação da maior parte dos alcatrões e gases combustíveis (CO, CH4, etc.) (fase dos hidrocarbonetos, exotérmica).
A umidade da madeira constitui um fator importante no processo de carbonização, a qual pode produzir um carvão frágil, altamente quebradiço, de modo semelhante ao observado pela rápida liberação de gases voláteis na carbonização.
A secagem da madeira consome muita energia, provida como parte da queima da lenha no interior do forno. A água presente na madeira diminui o rendimento da carbonização, devido ao consumo da lenha necessária para a secagem da madeira. Quanto maior a umidade, maior será a energia gasta na sua secagem (LADEIRA, 1992; BRITO, 1993).
2.4.1 Carbonização da celulose
A celulose é o constituinte da madeira que apresenta maior facilidade de isolamento, sendo o componente mais estudado, representando 40 a 45% de sua composição (SJÖSTRÖM, 1993). Com o aumento da temperatura, mais precisamente a 600oC, a degradação da celulose é quase completa, com 5% de resíduo de carvão. A celulose contribui pouco para o rendimento gravimétrico do carvão, pois o processo de carbonização se dá em temperaturas superiores a 300oC (OLIVEIRA et al., 1982).
Beall e Eickner, citado por OLIVEIRA (1982) propuseram, através de termoanálises, que o processo de decomposição da celulose inicia-se com a liberação de energia equivalente a 40 kcal/mol, onde a degradação da celulose pode ser dividida em três estágios: decomposição, volatilização dos produtos formados e evolução destes produtos.
2.4.2 Carbonização das hemiceluloses
As hemiceluloses são os constituintes da madeira responsáveis pela formação da maior parcela de ácido acético. É o componente da madeira que apresenta menor estabilidade, em virtude de sua natureza amorfa. Sua transformação se processa em dois estágios: decomposição da hemicelulose em fragmentos menores e despolimerização das cadeias pequenas (formando
17 monomeros), com liberação elevada de voláteis a partir dos monômeros formados e dos polímeros presentes.
A 500 oC o rendimento do carvão é de 10%. Produtos formados a 300 oC, quando expostos a temperaturas mais altas, irão sofrer extremas mudanças. Ocorre a decomposição e volatilização, onde a maior parte destes voláteis se condensa, formando o líquido condensado. O rendimento do carvão a 500 oC (10%) mostra que as hemiceluloses também contribuem muito pouco no processo de formação do carvão durante a carbonização (OLIVEIRA et al., 1982).
2.4.3 Carbonização da lignina
A lignina é o constituinte da madeira que apresenta maior dificuldade de isolamento em relação aos outros constituintes químicos da madeira. Estudos sobre sua decomposição são escassos e não muito bem definidos, devido à complexidade de sua estrutura e formação/degradação de inúmeros compostos. É o elemento presente na madeira de maior importância para a produção do carvão, mostrando a relação entre lignina e o rendimento. Em temperaturas de 450 a 550 oC se obtém um rendimento em carvão de 55% (SARKANEN e LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982). Esta temperatura é compatível com as utilizadas em fornos de alvenaria, o que demonstra a importância da lignina na produção de carvão vegetal (PIMENTA, 1998). A lignina começa a degradar-se em temperaturas mais baixas (150ºC), ao contrario da celulose e das hemiceluloses, cuja degradação é mais lenta (OLIVEIRA et al., 1982).
2.5 Carvão vegetal
O carvão vegetal é um insumo energético de grande importância econômica para o país, material sólido, poroso, de fácil combustão e capaz de gerar grandes quantidades de calor. Podendo ser obtido por meio artificial, através da carbonização de madeira, o carvão vegetal (PIMENTA,1998). É a fonte energética básica mais utilizada nos países subdesenvolvidos (BRAND, 2010) e considerado constituinte importante na indústria metalúrgica nacional, como redutor para a produção de ferro gusa, aço e ferros fundidos (ABRACAVE, 1989).
18 Pirólise ou termodegradação da madeira é um fenômeno que consiste na degradação do material orgânico presente na madeira. Em consequência deste, há o surgimento de frações residuais que correspondem aos seus elementos minerais, as "cinzas" (BRITO, 1990). Quando submetida ao fogo, na presença controlada de O2 e a temperatura conveniente libera as frações gasosas (compostos voláteis H2,
O2) e sólidas, produzindo o carvão vegetal através da concentração do carbono fixo
no material produzido. A esse fenômeno, denomina-se “destilação seca” ou “carbonização da madeira” (IEE/CNRB, 2008; BRITO, 1990).
A carbonização da madeira resulta em uma fase sólida, o carvão vegetal propriamente dito, e uma fase gasosa. Esses gases podem ser condensados, gerando o licor pirolenhoso, alcatrão insolúvel. O licor pirolenhoso é composto de ácido pirolenhoso, definido como uma solução aquosa de ácidos acético e fórmico, metanol e alcatrão solúvel, além de outros constituintes menores. A analise do carvão e da matéria volátil mostra que sua composição depende fortemente da temperatura de carbonização, espécie vegetal fornecedora da madeira e idade da árvore (FERREIRA, 2000; OLIVEIRA et al., 1982).
2.5.1 Parâmetros de Qualidade do Carvão
A qualidade do carvão é dada por suas propriedades físicas (densidade, poder calorífico superior, resistência mecânica e friabilidade) e químicas (umidade e composição em carbono fixo, cinzas e materiais voláteis). Esses parâmetros de avaliação estão ligados diretamente à qualidade da madeira empregada como matéria prima, variando conforme as espécies, indivíduos, parte da árvore utilizada e pela idade (OLIVEIRA et al., 2009; PIMENTA et al., 2010).
O carvão vegetal é constituído quimicamente de três frações distintas: carbono fixo, matérias voláteis e cinzas (OLIVEIRA et al., 2003). A composição química do carvão reflete a utilização no alto-forno por unidade de volume, para a produção de ferro-gusa.
Carbono fixo é definido como a quantidade de carbono encontrada no carvão vegetal. A quantidade de carbono fixo fornecida por uma unidade de madeira é função da percentagem de lignina desta (CARMO, 1988), considerando a interação dos extrativos e da densidade da madeira e a relação inversamente proporcional da hemicelulose durante carbonização (OLIVEIRA et al., 2003).
19 Matérias voláteis são definidos como as porções de substâncias desprendidas sob a forma de gases da madeira durante sua degradação térmica, influenciando na estrutura do carvão, porosidade, diâmetro médio, perda de massa interna e resistência mecânica, estas duas últimas devido ao rápido desprendimento dos materiais voláteis durante carbonização, promovendo rápida degradação e aumento da geração de finos na operação do alto-forno (OLIVEIRA et al., 2003; PIMENTA et al., 2010).
O emprego de carvão vegetal com elevada umidade pode gerar mudanças na qualidade física do carvão, elevando a geração de “finos”, semelhante ao que ocorre quando do rápido desprendimento dos materiais voláteis (BRITO, 1993).
As cinzas correlaciona-se com a constituição química da madeira (COELHO JUNIOR et al., 2006), o carvão vegetal geralmente apresenta baixo teor de cinzas, comparado ao carvão mineral (CARMO,1988), com maior proporção também no carvão vegetal oriundo de espécies nativas, devido a maior variedade dessas espécies vegetais (COELHO JUNIOR et al., 2006).
Teores de cinzas elevados ou sais presentes na sua composição, podem prejudicar a produção de ferro-gusa, ferro-ligas e metais não ferrosos, podendo provocar, no caso do ferro-gusa, o fenômeno da segregação (acumulo de impurezas) (PIMENTA et al., 2010). Para a siderurgia, de maneira simplificada, o carvão vegetal preferido é o que apresenta cor negra e brilhante, inodoro, duro, com ruído metálico ao ser quebrado, de superfície de ruptura curva, lisa e sedosa, tem estrutura da madeira e queima sem desprender fumaça, fagulha ou cheiro (BRITO, 1993).
20 3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Localização e caracterização da área do plantio
O plantio de floresta energética de Bambusa vulgaris com espaçamento 7 x 3,5 m, localiza-se no município de Timon – MA pertencente à indústria ceramista Barro Forte com apoio técnico da PROFLORA – PCF (Projetos e Consultoria Florestal), entre as coordenadas geográficas 5º11’52,7’’ S e 42º48’59,5’’ W. Apresenta 4 talhões de áreas: 10,53; 13,61; 13,03 e 11,39 ha, totalizando 48,56 ha, pertencentes a Fazenda Santana da Gameleira (Figura 1). Os quatro talhões receberam plantios de bambus obtidos a partir de propagação vegetativa de touceiras diferentes (material genético de grande variabilidade), os quais foram coletados em várias propriedades do município de Timon às margens do Rio Paraíba.
Figura 1 – Imagem de satélite das áreas de estudo na Fazenda Santana da Gameleira, Timon – MA.
21 3.2 Amostragem
Foram coletados aleatoriamente 12 colmos de cada talhão (subdivididos em 4 touceiras, onde em cada foram retiradas 3 colmos) que apresentavam boa fitossanidade. Em seguida, os colmos foram transportados para o viveiro florestal da PROFLORA, onde foram cavaqueados manualmente e homogeneizados por talhão (Figura 2). Por último, as amostras foram levadas ao Laboratório de Tecnologia da Madeira UFCG/CSTR – Campus de Patos para posteriores análises.
Figura 2 – Disposição das touceiras no talhão (a), corte dos colmos (b), Feixes de colmos no pátio para secagem (c), cavacos (d).
22 3.3 Densidade do bambu
A densidade básica foi determinada de acordo com o método de imersão em água, descrito por Vital (1984), onde os cavacos foram colocados num recipiente contendo água até a completa saturação das fibras. Em seguida, calculamos o seu volume através do principio de Arquimedes e sua massa a 0% de umidade.
Onde:
Db= densidade básica (g/cm3); m= massa anidra (g);
v= volume saturado (cm3).
3.4 Carbonização em escala de laboratório
O presente trabalho foi realizado no Laboratório de Tecnologia da Madeira da Universidade Federal de Campina (UFCG), Unidade Acadêmica de Engenharia Florestal, Campus de Patos – PB.
Foram carbonizados em média 250g de cavacos, sendo os vapores produzidos a partir de cada carbonização foram conduzidos por um condensador tubular, com recolhimento do líquido pirolenhoso num recipiente e a liberação dos gases incondensáveis para a atmosfera.
As carbonizações foram realizadas em forno elétrico do tipo mufla (Figura 3), em duplicatas para as amostras de cada talhão, totalizando 8 carbonizações, com os cavacos previamente secos em estufa a 105 ± 3ºC por 24 horas, até à temperatura máxima de 450 ºC, conforme sequencia abaixo:
Temperatura (ºC) Período de Permanência (min)
150 60 200 60 250 90 350 90 450 30 v m Db
23 Figura 3 – Forno mufla utilizado nas carbonizações acoplado a um condensador.
Fonte – Andrade (2014).
3.5 Rendimento gravimétrico
Após as carbonizações, determinou-se o rendimento em carvão em relação a massa de madeira seca.
O rendimento gravimétrico consistiu na relação entre o peso do carvão produzido e o peso da madeira enfornada, expresso em porcentagem, assim como a quantidade de líquido pirolenhoso condensado e por diferença os gases incondensáveis.
3.6 Densidade aparente do carvão vegetal
Para a determinação da densidade aparente, utilizou-se a fração 40/60 mash, com base na Norma MB 1269 (ABNT, 1979). O volume determinado através do princípio de Arquimedes, sugerida pela COPANT 461/72.
v m Dap
24 Onde:
Da= densidade aparente (g/cm³); m= massa a 12% de umidade (g); v= volume saturado (cm³).
3.7 Análise química imediata
Essa análise foi realizada com base na norma ASTM D-1764, com adaptação feita por Oliveira et al. (1982). Inicialmente macerou-se as amostras (Figura 4). Logo após, os materiais foram classificados em peneiras Bertel selecionando-se a fração 40/60 mesh, para a análise química imediata (Figura 5), as quais retornaram para a estufa (105 ± 3 ºC) por um período de 24 horas. Por último, os valores de matérias voláteis, teor de cinzas e teor de carbono fixo foram determinados.
Figura 4 – Etapas de maceração do carvão (antes e após ser macerado/peneirado).
25 Figura 5 – Principais etapas da caracterização imediata do carvão vegetal: maceração (a), primeira pesagem (b), secagem (c), resfriamento (d), segunda pesagem (e), análise química imediata (cadinhos levados ao forno mufla) (f).
Fonte – Andrade (2014).
3.8 Análises dos resultados
Foram realizadas através do Delineamento Inteiramente Casualizado, com 4 tratamentos que corresponde aos 4 talhões do plantio e repetições variadas para cada tipo de análise. Utilizou-se o teste de Tukey ao nível de 5% de probabilidade. As análises estatísticas foram realizadas através do software ASSISTAT versão 7.7 desenvolvido e distribuído gratuitamente pela UFCG.
26 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Densidade básica dos colmos
Os valores médios da densidade básica dos colmos (DBM) foram obtidos por talhão, cujos valores foram: T1 = 490 kg/m3, T2 = 500 kg/m3, T3 = 510 kg/m3 e T4 =
460 kg/m3, respectivamente. Esses resultados foram semelhantes aos encontrados por Bonfatti Júnior (2010), que analisando as propriedades anatômicas, químicas e densidade da espécie Bambusa vulgaris Schrad. para a produção de celulose kraft com diferentes cargas de álcali, encontrou uma densidade básica média de 494 kg/m3.
Na Tabela 1, observa-se a análise de variância, onde podemos constatar que não houve efeito significativo dos tratamentos pelo teste F a 5% de probabilidade. Isto comprova que a densidade da madeira do bambu é bastante semelhante, não havendo diferença estatística entre os tratamentos.
Tabela 1 – Análise de Variância (ANOVA) para a densidade básica média dos colmos de Bambusa vulgaris Schrad. coletados no município de Timon – MA.
FV GL SQ QM F Tratamentos 3 0.01101 0.00367 0.3044 ns Resíduo 36 0.43406 0.01206 Total 39 0.44508 ns = não significativo (p >= .05). Fonte − (ANDRADE, 2014).
Na escolha de espécies para a produção de energia, a densidade básica da madeira é um dos aspectos que devem ser levados em consideração, bem como seus constituintes anatômicos (SANTOS, 2010), sendo assim, um parâmetro de grande importância que qualifica a madeira.
A densidade dos colmos de espécies de bambu é um aspecto físico bastante considerável, variando entre 500 kg/m3 a 900 kg/m3 (ZHOU, 1981). No entanto, depende da camada do colmo estudada. Geralmente nas camadas internas a densidade é bem menor que nas camadas externas. Fato este, comprovado nos estudos de Tomazello Filho e Azzini (1987), onde a DBM aumentou das camadas internas para as externas.
27 Para a espécie estudada, os valores da DBM se enquadram nos padrões de densidade estabelecidos para espécies florestais mostrados por Burger; Richter (1991). Esses valores variam de 130 kg/m3 a 1400 kg/m3.
Estudos feitos por Fonsêca (2011) comparando o potencial energético do juazeiro e da algarobeira apresentaram valores de densidade bastante superiores ao do bambu, com médias de 973,59 kg/m3 e 1201,14 kg/m3. Enquanto que os valores médios encontrados por Costa Júnior (2013) para duas espécies de eucalipto foram inferiores, tendo 442,5 kg/m3 e 445 kg/m3.
A densidade básica da madeira também se relaciona positivamente com a densidade do carvão vegetal. Madeiras de alta densidade resultam em carvões de alta densidade (BRITO, 1993).
4.2 Rendimentos gravimétricos
Na Tabela 2, observa-se os valores médios por talhão das análises do carvão de Bambusa vulgaris Schrad.
Tabela 2 – Valores médios por talhão das análises do carvão obtido a partir dos colmos de Bambusa vulgaris Schrad. coletados no município de Timon – MA.
Talhão RCV (%) RGC (%) RGI (%) DA (g/cm3)
1 40,34 a 16,94 a 42,72 b 2.833 a
2 38,25 a 14,34 a 47,41 b 2.059 a
3 37,75 a 6,02 b 56,23 a 1.945 a
4 39,85 a 11,38 ab 48,77 b 1.954 a
RCV= rendimento em carvão vegetal; RGC= rendimento em gases condensáveis; RGI = rendimento em gases incondensaveis; DA= densidade aparente.
*
Valores médios seguidos de mesma letra na respectiva coluna não diferem estatisticamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade, pelo teste de Tukey.
Fonte − (ANDRADE, 2014)
O bambu apresentou um rendimento médio em carvão vegetal de 39,05% numa temperatura de 450 ºC. Os talhões 1 e 4 apresentaram os maiores valores, com médias de 40,34% e 39,85%, entretanto não houve diferença significativa entre os quatro talhões. Em estudos para essa mesma espécie, em temperaturas variáveis de 400, 600 e 800 ºC, Costa (2004) obteve rendimentos de 32,54, 25,30 e 23,02%; mostrando que quanto menor a temperatura, maior será o rendimento do
28 carvão. Vários autores mostram haver uma estreita relação entre o RCV e a temperatura máxima alcançada na carbonização da madeira (ANDRADE, 1993; BRITO, 1990).
Diversos estudos comprovam que o bambu apresenta um RCV maior que o de espécies de eucalipto. Fato este, devido aos menores teores de celulose encontrados nos colmos do bambu. Isso pode ser evidenciado nos resultados alcançados por Assis (2012) com rendimentos em carvão vegetal obtidos em plantios de um clone híbrido Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla no estado de Minas Gerais, os quais variaram de 30 a 32,97%.
Medeiros Neto (2011) avaliando o lenho de duas espécies nativas da Região Nordeste encontrou um teor de rendimento em carvão inferior para a espécie Handroanthus impertiginosus (37,90%). Enquanto que a espécie Poincianella pyramidalis apresentou um RCV superior (43,03%) comparado ao da Bambusa vulgaris.
Quanto ao rendimento em gases condensáveis (líquido pirolenhoso), houve diferença significativa. O talhão 3 diferiu estatisticamente dos talhões 1 e 2, mas não apresentou diferença entre o talhão 4. Essa diferença pode ter ocorrido devido perdas por vazamento no processo da carbonização. Também podemos notar que o maior valor de RGC foi daquele que obtive um maior RCV.
O rendimento em gases incondensáveis apresentou uma média de 48,78%, havendo efeitos significativos entre os talhões 1, 2 e 4. O talhão 3 obteve uma média de 56,23% e com isso, diferindo dos demais talhões. Observa-se ainda, que quanto menor o rendimento médio em líquido pirolenhoso por talhão, maior é o seu rendimento em gases não condensáveis.
Os teores do rendimento em gases condensáveis e dos gases incondensáveis podem variar de acordo com a densidade e os constituintes químicos da madeira. Para Valente et al. (1985), a elevação da temperatura no processo de carbonização acarreta no aumento da produção de gases incondensáveis.
As médias da densidade aparente do carvão vegetal obtidas em cada talhão não diferiram estatisticamente ao nível de 5% de probabilidade, apresentando uma densidade aparente média de 2,198 g/cm³. Esse valor foi superior aos encontrados por Almeida (2010) para as espécies Amburana cearensis e Piptadenia stipulaceae de ocorrência no semiárido nordestino, cujas médias foram 0,301 e 0,468 g/cm³.
29 4.3 Análise química imediata
Os resultados obtidos neste estudo para a análise química imediata (Teor de materiais voláteis, teor de cinzas, teor de carbono fixo e rendimento em carbono fixo) se encontram na Tabela 3.
Tabela 3 – Análise química imediata e rendimento em carbono fixo por talhão do carvão obtido a partir dos colmos de Bambusa vulgaris Schrad. coletados no município de Timon – MA.
Talhão TMV (%) TCZ (%) TCF (%) RCF (%)
1 28,15 a 3,35 b 66,38 a 26,78 a
2 28,03 a 6,80 a 63,18 a 24,17 a
3 27,88 a 3,93 b 64,55 a 24,37 a
4 30,15 a 5,10 ab 62,31 a 24,83 a
TMV= teor de materiais voláteis; TCZ= teor de cinzas; TCF = teor de carbono fixo; RCF = rendimento em carbono fixo.
*
Valores médios seguidos de mesma letra na respectiva coluna não diferem estatisticamente entre si, ao nível de 5% de probabilidade, pelo teste de Tukey.
Fonte − (ANDRADE, 2014).
Os teores médios de materiais voláteis, carbono fixo e rendimento em carbono fixo foram respectivamente 28,55%, 64,11% e 25,04%, não apresentando diferenças significativas entre os talhões. Já o teor de cinzas médio foi 4,80%, cujos talhões 1,3,4 apresentaram valores semelhantes estatisticamente, diferindo significativamente do talhão 2.
De acordo com valores da análise química imediata alcançados, o carvão da espécie Bambusa vulgaris se enquadra nos padrões do carvão vegetal comercializado no Brasil para processos siderúrgicos (materiais voláteis: 25-35%, carbono fixo: 65-75%, cinzas: 2-5%) (MELLO, 2001). Combustíveis com elevados teores de carbono fixo e teores de materiais voláteis baixos queimam lentamente e necessitam de um maior tempo na fornalha para que o mesmo seja totalmente queimado (BRAND, 2010).
Os dados mostram o grande potencial do carvão vegetal do bambu, visto que quanto maior o teor de carbono fixo, maior será a sua capacidade energética.
30 5 CONCLUSÕES
A espécie Bambusa vulgaris Schrad. apresentou um bom rendimento em carvão vegetal, com uma média de 39,05%; não havendo diferença significativa entre os quatro talhões.
As médias da densidade básica dos colmos de cada talhão também não apresentaram diferenças significativas entre si. O bambu obteve uma densidade básica média de 490 kg/m3.
O líquido pirolenhoso obtido a partir das carbonizações apresentou um maior teor no Talhão 1, o qual também alcançou um maior rendimento em carvão vegetal. O baixo teor de líquido pirolenhoso apresentado no Talhão 3 provavelmente ocorreu devido perdas por vazamento durante a carbonização.
Os resultados médios alcançados na análise química imediata para os teores de materiais voláteis, carbono fixo e rendimento em carbono fixo mostram não haver efeito significativo entre os talhões. Já para o teor de cinzas, o mesmo não ocorreu.
De acordo com as análises realizadas neste estudo, verificou-se que o carvão vegetal produzido a partir dos colmos de Bambusa vulgaris Schrad. possui potencial para comercialização e utilização como fonte energética, inclusive para fins siderúrgicos.
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