ESTUDO COMPARATIVO DO PODER CALORÍFICO DA BIOMASSA ADQUIRIDA DE TERCEIROS COM A CASCA DE EUCALYPTUS DESCARTADA NAS
FLORESTAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA E ELÉTRICA CANTIZANI, PATRÍCIA APARECIDA PEREIRA1; MORELLI, ANDRÉ LUIZ;
RIZZATTO, RAFAEL LEDA; SANTIAGO, FRANCISCO LUIZ SANCHEZ2
Área de Conhecimento: BIOENERGIA Subáreas: FONTES RENOVÁVEIS
RESUMO: A possibilidade de gerar energia com as cascas que permanecem na
floresta após a colheita da madeira nos motivou a realização deste trabalho. Para a realização do trabalho foram obtidos dados do poder calorífico da biomassa utilizada atualmente para produção de vapor das caldeiras instaladas na unidade fabril de uma empresa particular do setor de celulose. Foram coletadas, também, 10 amostras para determinação do teor de umidade com base em massa úmida e poder calorífico das cascas decorrentes da colheita do Eucalyptus. Os principais resultados mostraram que a implantação da proposta de utilização das cascas apresentou no poder calorífico líquido a média de 2442,7±817,9 kcal/kg, valor 30,2% superior ao poder calorífico da biomassa adquirida de terceiros, indicando atratividade econômica de utilização das cascas como combustível na matriz energética da empresa.
Palavras-chave: Biomassa florestal; geração de energia elétrica; poder calorífico;
umidade com base úmida; cascas de Eucalyptus;
ABSTRACT: The ability to generate power with the husks that remain in the forest
after a timber harvest led us to this work. To conduct the study were obtained calorific data of biomass currently used for steam production boiler installed in the plant in a particular company in the pulp industry.Were collected, also 10 samples for moisture content based on moist mass and calorific power of the shells resulting from Eucalyptus harvest. The main results showed that the implementation of the proposed use of the shells presented on net calorific value of 2442,7±817,9 average kcal/kg, a value 30.2 % higher than the calorific value of biomass acquired by a third party for use, the economic attractiveness husks as fuel in the energy mix of the company.
Keywords: Forest biomass; generation of electricity; heating value; moisture with
damp base; Eucalyptus bark;
1 Alunos do Curso de Tecnologia em Bioenergia - FACULDADE ORÍGENES LESSA (FACOL)
paticantizani@outlook.com; andre_morellione@outlook.com;ledarafael@hotmail.com
1. INTRODUÇÃO
A crise de combustíveis derivados de petróleo a partir do ano de 1970 levou as empresas brasileiras a avaliar a viabilidade econômica de aproveitamento inteligente e racional de resíduos industriais como insumos energéticos, até então descartados em seus processos de fabricação¹.
As reduções das quantidades disponíveis de fontes de energias convencionais tornam viáveis o aproveitamento racional de inúmeras outras substâncias denominadas de combustíveis, consideradas impraticáveis sob o ponto de vista econômico e ecológico. A previsão para a duração das reservas de carvão, petróleo e gás natural já está definida para a humanidade. A utilização destas fontes, consagradas, embora em processo de crescente limitação, continuarão a ser utilizadas pelos seres humanos. A segurança da economia brasileira impõe medidas de aproveitamento mais eficaz do combustível e exige providências para intensificar a utilização de outras fontes energéticas e abundantes no país².
As principais barreiras existentes para a maior utilização das energias renováveis são de ordem econômica. Considera-se que um dos fatores mais importantes na utilização de biomassa como insumo energético, independente da técnica empregada, refere-se ao custo de colheita e transporte dessa matéria-prima³.
Muitos processos industriais em plantas químicas de papel e celulose, açúcar, alimentícias e inúmeras outras, demandam energia térmica (em forma de vapor) e energia elétrica. Impulsionados pelos crescentes custos dos insumos energéticos, quer dos combustíveis utilizados na geração de vapor, quer de energia elétrica comprada das concessionárias, as indústrias devem permanentemente buscar a forma mais econômica de utilização de energia4.
Tendo em vista os motivos expostos pretende-se: Determinar o poder calorífico das cascas de Eucalyptus que atualmente são descartadas nas florestas e não utilizadas nos processos de geração de energia por algumas empresas de fabricação de celulose. Elaborar um estudo comparativo do poder calorífico dessas cascas com o poder calorífico da biomassa florestal que as empresas compram de
terceiros para utilizá-la como combustíveis em suas caldeiras para geração de energia.
2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. PODER CALORÍFICO
O poder calorífico expressa a quantidade de calor produzido durante o processo de combustão, na unidade de caloria por grama (cal/g) ou quilocaloria por quilograma (kcal/kg), considerando-se seu estado anidro (0% de umidade). O poder calorífico pode ser apresentado como Poder Calorífico Superior (PCS) ou Poder Calorífico Inferior (PCI), dependendo se o calor liberado pela condensação da água de constituição da madeira (formada durante a combustão em razão da presença de hidrogênio na composição química elementar da madeira) for considerado. Na prática, o PCI deve ser preferido, e pode ser calculado a partir do conhecimento do PCS que por sua vez, é determinado em aparelhos denominados calorímetros5.
2.1.1. Poder Calorífico Superior (PCS)
O PCS é obtido a partir do combustível seco. O calorímetro é o instrumento utilizado na determinação do poder calorífico da biomassa florestal. Os valores assim obtidos correspondem ao PCS e são ligeiramente superiores ao observado na prática porque o calorímetro é fechado e os produtos de combustão permanecem enclausurados. Assim, ao se resfriar, o vapor d’água é condensado e libera o calor latente de vaporização4.
O valor do PCS para madeira de Eucalyptus cortada aos seis anos de idade situa-se em 4600 Kcal/kg5.
.
2.1.2. Poder Calorífico Inferior (PCI)
A relação entre o PCI e o PCS é regida pela quantidade de hidrogênio presente na composição química elementar da madeira. Considerando-se que, em geral, seu teor na madeira é constante (em torno de 6%), a energia a ser consumida
para evaporação da água a ser formada será também constante e equivalente a 324 kcal/kg de água5. .
2.1.3. Poder Calorífico Líquido (PCLu)
Na prática dificilmente a madeira será usada na condição anidra. É necessário considerar a água livre e a água higroscópica contida no seu interior. A água da madeira expressa pelo seu teor de umidade é talvez o fator que maior influência exerce sobre a liberação de energia. No processo de combustão, a primeira etapa consiste na sua vaporização, o que significa um dispêndio de energia da ordem de 600 Kcal/kg de água. Portanto, o teor de umidade representa poder calorífico negativo, pois para sua eliminação provém da própria madeira durante o processo de combustão5.
É possível o cálculo aproximado do poder calorífico inferior, levando-se em conta o teor de umidade da madeira. Tem-se, então o denominado poder calorífico líquido (PCLu) das cascas5.
2.2. BIOMASSA FLORESTAL COMO ENERGIA, IMPORTÂNCIA E GERAÇÃO
No campo energético, a madeira é tradicionalmente chamada de lenha e nessa forma, sempre ofereceu histórica contribuição para o desenvolvimento da humanidade, tendo sido sua primeira fonte de energia, inicialmente empregada para aquecimento e cozimento de alimentos. Ao longo dos tempos, passou a ser utilizada como combustível sólido, líquido e gasoso, em processos para geração de energia térmica, mecânica e elétrica6.
Hoje a madeira ainda continua participando da matriz energética mundial, com maior ou menor intensidade dependendo da região considerada, sendo que seu uso é afetado por variáveis como: nível de desenvolvimento do país, disponibilidade de florestas, questões ambientais e sua competição econômica com outras fontes energéticas, como petróleo, gás natural, hidrelétrica, energia nuclear, etc.
Estudando o inventário de resíduos florestais relatam que os altos preços e a instabilidade de fornecimento de energia proveniente de fontes tradicionais aumentam a viabilidade de outras fontes alternativas como o carvão mineral, energia solar e nuclear. As indústrias que utilizam a madeira como matéria-prima de seus
produtos estão em posição invejável, pois assegurada as condições climática favoráveis, as árvores podem converter energia solar e estocá-la em forma de madeira, casca e resíduos florestais. Até recentemente, a maioria das atividades de exploração florestal visavam apenas o produto principal, isto é, madeira para celulose, chapas, lâminas e compensados, serraria etc., deixando os resíduos com possibilidade de conversão para energia, dispersos no local7.
Estudando a cadeia produtiva de biomassa de origem florestal no planalto Sul de Santa Catarina, com o objetivo de fornecer informação que subsidiem os gestores públicos e privados na tomada de decisão estratégica para o melhor desempenho dessa cadeia, relataram que nos últimos anos, a questão energética tem despertado interesse, sobretudo na busca de fontes de energia alternativa com menor impacto ambiental do que os combustíveis fósseis8.
Esta nova configuração, na qual a biomassa de origem florestal ou madeireira passou a ser mais disputada, desencadeou maior concorrência entre diferentes segmentos da cadeia produtiva na busca dessa matéria-prima. Nesse caso, a produção de energia concorre diretamente com a produção de celulose e papel, além de alguns tipos de chapa, pois esses segmentos industriais utilizam a mesma biomassa como principal matéria-prima. Assim, os resíduos de biomassa de origem florestal deixaram de ser vistos como "lixo" e passaram a ser tratados como matéria-prima para geração de energia.
A geração de energia por biomassa florestal apresenta vantagens ambientais, pela substituição de combustíveis fósseis e redução da emissão de gases de efeito estufa; e vantagens sociais, pela geração de emprego local9.
3. MATERIAL E MÉTODOS
O trabalho de pesquisa foi desenvolvido em uma empresa particular do setor de celulose, onde foram levantados os resultados de poder calorífico da biomassa florestal comprada de terceiros e também da coleta de amostras de cascas de Eucalyptus descartadas nas florestas da empresa após a colheita da madeira para posterior levantamento de suas características físicas como umidade e poder calorífico.
3.1. DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DAS CASCAS QUE PERMANECEM NAS FLORESTAS APÓS A COLHEITA DA MADEIRA 3.1.1. Poder Calorífico Superior (PCS) das Cascas
O poder calorífico superior (PCS) foi determinado pelo método da bomba calorimétrica (Figura 1), e suas determinações foram realizadas no Laboratório de Física Aplicada do Departamento de Física e Biofísica da UNESP de Botucatu-SP.
Figura 1 – Calorímetro utilizado para determinação do poder calorífico superior (PCS).
Fonte: UNESP - Botucatu-SP, (2011)¹0.
O PCS das cascas da espécie estudada foi determinado segundo norma ABNT NBR 8693, e pelo manual de operações do calorímetro PARR 1201¹¹.
Para o cálculo do PCS, foram coletadas 10 amostras de cascas nas florestas da empresa em estudo, e utilizou-se a Equação (1):
Δt Ms Ma K PCS (1) onde:PCS; é o poder calorífico superior da amostra (cal/g); Ma; a massa de água utilizada no calorímetro (2500 g);
K; a constante do calorímetro (488,9 g); Ms; a massa seca da amostra (g).
3.1.2. Poder Calorífico Inferior (PCI) das Cascas
Utilizou-se então a Equação (2) para determinar do PCI das cascas:
PCIPCS324 (2)
onde:
PCS; é o poder calorífico superior da amostra (kcal/kg); PCI; o poder calorífico inferior da amostra (kcal/kg).
3.1.3. Poder Calorífico Líquido (PCLu) das Cascas
O cálculo do (PCLu) foi adotado neste trabalho conforme apresentado na Equação (3). 6 u 100 u 100 PCI PCLu (3) onde:
PCLu; é o poder calorífico líquido da amostra com teor de umidade u (kcal/kg); PCI; o poder calorífico inferior da amostra (kcal/kg);
u; o teor de umidade da amostra de casca com base em massa úmida (%).
3.2. Determinação do Teor de Umidade com Base em Massa Úmida das Cascas
Para obtenção do teor de umidade das cascas, foram coletadas 10 amostras de cascas úmidas, que posteriormente foram levadas em estufa para secagem, em uma temperatura de 103 ± 2 ºC, durante um período de 24 h.
As análises foram elaboradas no Laboratório de Física e Biofísica da UNESP em Botucatu, SP.
O teor de umidade com base em massa úmida das cascas foi determinado de acordo com as Equações (4) e (5).
100 Mu M
u H2O (5)
onde :
MH2O; é a massa de água contida na amostra (g); Mu; a massa úmida da amostra (g);
M0; a massa seca da amostra (g);
u; o teor de umidade com base em massa úmida da amostra (%)
3.3. Poder Calorífico Superior (PCS), Poder Calorífico Inferior (PCI), Poder Calorífico Líquido (PCLu) e Teor de Umidade com Base em Massa Úmida (u) da Biomassa Florestal
O poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI), poder calorífico líquido (PCLu) e teor de umidade com base em massa úmida (u) da biomassa florestal adquirida de terceiros foram obtidos dos relatórios de controle da empresa em estudo.
3.4. Energia Útil da Casca e da Biomassa comprada de terceiros
A energia útil propiciada pela casca que atualmente permanece na floresta e a biomassa comprada de terceiros foi obtida da relação entre o poder calorífico líquido (PCLu) e poder calorífico inferior (PCI). A energia útil foi determinada de acordo com a Equação (6).
100 PCI PCLu útil Energia (6) onde :
PCLu; é o poder calorífico líquido da casca e da biomassa (kcal/kg); PCI; é o poder calorífico inferior da casca e da biomassa (kcal/kg);
Energia útil; é a energia útil obtida com a queima da casca e da biomassa (%).
4.1. Cálculo do Poder Calorífico, Teor de Umidade com Base em Massa Úmida e Energia Útil das Cascas
A Tabela 1 contém dados do teor de umidade com base em massa úmida (u), poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI), poder calorífico líquido (PCLu) e energia útil das 10 amostras de cascas de Eucalyptus coletadas nas florestas da empresa em pesquisa.
Tabela 1 – Teor de umidade com base em massa úmida (u), poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI), poder calorífico líquido (PCLu) e energia útil das amostras de cascas de Eucalyptus
Os valores médios encontrados foram: u= 37,0±17,1 %, PCS= 4560,7±170,0 kcal/kg, PCI=4236,7±170,0kcal/kg, PCLu=2442,7±817,9 kcal/kg e energia útil= 57,8±19,6%. 57,8 19,6 Energia Útil (%) 80 45 65 38 66 35 82 38 45 82 AMOSTRA 1996 4388 4712 48,0 2 1 15,5 4608 4284 3527
u (%) PCS (kcal/kg) PCI (kcal/kg) PCLu (kcal/kg)
3 3288 3987 4311 15,2 4 1557 4059 4383 53,7 5 2845 4291 4615 29,6 6 1541 4406 4730 57,2 4072 4396 30,8 8 1987 4432 4756 48,6 9 2632 3505 4372 4696 17,4 10 1548 4076 4400 54,1 7 2442,7 817,9 4236,7 170,0 4560,7 170,0 37,0 17,1 MÉDIA
4.2. Cálculo do Poder Calorífico, Teor de Umidade com Base em Massa Úmida e Energia Útil da Biomassa
A Tabela 2 contém dados do teor de umidade com base em massa úmida (u), poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI), poder calorífico líquido (PCLu) e energia útil das 10 amostras da biomassa comprada de terceiros pela empresa em pesquisa para geração de energia térmica e elétrica em sua unidade fabril.
Tabela 2 – Teor de umidade com base em massa úmida (u), poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI), poder calorífico líquido (PCLu) e energia útil das amostras de biomassa comprada de terceiros
Fonte: Empresa particular do setor de celulose¹².
Os valores médios encontrados foram: u= 38,0±6,3 %, PCS= 3688,9±602,0 kcal/kg, PCI= 3384,9±602,0 kcal/kg, PCLu= 1875,7±456,3 kcal/kg e energia útil= 55,0±8,0 %. 1875,7 456,3 3384,9 602,0 3688,9 602,0 38,0 6,3 MÉDIA 1506,6 2911,0 3215,0 40,0 7 931,0 2462,0 2766,0 50,0 10 4166,0 4470,0 41,2 8 2164,0 4191,0 4495,0 42,3 9 2203,0 5 1568,6 2955,0 3259,0 39,0 6 2337,0 4126,0 4430,0 37,0 3 1696,4 3045,0 3349,0 37,0 4 1827,8 3135,0 3439,0 35,0 AMOSTRA 2171,3 3359,0 3663,0 30,0 2 1 28,0 3803,0 3499,0 2351,3
u (%) PCS (kcal/kg) PCI (kcal/kg) PCLu (kcal/kg)
55,0 8,0 Energia Útil (%) 38 52 53 52 53 57 56 58 65 67
5. CONCLUSÕES
Os resultados da pesquisa permitiram concluir que:
A média do poder calorífico líquido da casca (PCLu)= 2442,7±817,9 kcal/kg) apresentou valor aproximado de 30,2 % superior a média do poder calorífico líquido da biomassa (PCLu= 1875,7±456,3 kcal/kg);
A média da energia útil da casca (57,8±19,6 %) apresentou valor 5,1 % superior que a média energia útil da biomassa (55±8,0 %);
Tendo em vista que a energia útil e o poder calorífico líquido representam a eficiência e a energia que é utilizada pela caldeira no processo de combustão para geração de vapor e energia elétrica, a casca apresenta uma boa alternativa de combustível para a empresa em pesquisa;
É extremamente importante que cada empresa aproveite seus próprios resíduos para geração de sua própria energia evitando assim problemas de movimentação e descarte desse material e evitando também danos ambientais.
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