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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Adivan Tonin
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA QUEIMA
DE RESÍDUO DA FILTRAÇÃO DE BIODIESEL EM
CALDEIRAS
Passo Fundo, 2014.
1
Adivan Tonin
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA A
QUEIMA DE RESÍDUO DA FILTRAÇÃO DE
BIODIESEL EM CALDEIRAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
curso de Engenharia Ambiental, como parte
dos requisitos exigidos para obtenção do título
de Engenheiro Ambiental.
Orientador: Prof. Vandré Barbosa Brião,
Doutor.
Passo Fundo, 2014.
2
Adivan Tonin
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA A QUEIMA DE
RESÍDUO DA FILTRAÇÃO DE BIODIESEL EM CALDEIRAS
Trabalho de Conclusão de Curso como requisito parcial para a obtenção do título de
Engenheiro Ambiental – Curso de Engenharia Ambiental da Faculdade de Engenharia e
Arquitetura da Universidade de Passo Fundo. Aprovado pela banca examinadora:
Passo Fundo, 28 de junho de 2014.
3
AGRADECIMENTOS
A Deus por ser a força que me mantém firme, a luz no meu caminho frente a todas as
dificuldades as quais a vida apresenta;
A meus pais Valmir e Evania, a quem devo minha vida, por estarem sempre prestes a
me estender a mão, minha eterna gratidão e amor incondicional e meu irmão Evandir por todo
o carinho e compreensão.
A minha esposa Elita, com quem amo partilhar todos os momentos da minha vida, por
todo o apoio e incentivo e principalmente por ter escolhido permanecer ao meu lado, em todos
os caminhos onde a vida nos leva;
A toda minha família pelo apoio, compreensão e sacrifícios que sempre fizeram por
mim.
A Universidade de Passo Fundo, Faculdade de Engenharia e Arquitetura, em especial
ao curso de Engenharia Ambiental, e aos professores, pelo conhecimento técnico fornecido,
direcionamento e inspiração profissional.
Ao meu orientador, Prof. Vandré Barbosa Brião, por ser sempre muito prestativo e
confiante, pelos valiosos ensinamentos que tens transmitido;
Aos bons amigos de sempre, que se alegram com minhas pequenas vitórias e aos
novos que conquistei em Passo Fundo pelo companheirismo na caminhada;
Finalmente, a todos que de alguma forma contribuíram para a realização desse
trabalho, ajudando na conquista de mais uma etapa.
Muito obrigado!!!
4
RESUMO
A produção de biodiesel geralmente utiliza a filtração para retirada de materiais
insolúveis presentes no meio liquido nas etapas de preparação da matéria prima e purificação
do produto final. Para tanto, pode-se utilizar auxiliares filtrantes produzidos a base de fibras
de celulose, sendo estes menos agressivos ao meio ambiente e possuindo propriedades para
reaproveitamento energético. Apresentando este resíduo característica de combustibilidade,
ele deixa de ser um resíduo do processo e passa ser um combustível para caldeiras. Sendo
assim a proposta deste trabalho foi identificar o potencial térmico do resíduo de filtração
celulósico originado no processo de produção de biodiesel, através de uma amostragem
composta retirada dos filtros durante as limpezas e realizando analises para a caracterização
do resíduo. Com os resultados obtidos foi possível realizar uma caracterização elementar e
imediata do resíduo, avaliado o seu potencial térmico, reações de combustão, gases gerados
após combustão completa e realizando uma analise econômica preliminar, fazendo sempre
uma comparação com biomassa de eucalipto por também ser um composto celulósico e ser o
combustível utilizado atualmente na caldeira da empresa em questão. O resíduo de filtração
apresenta a vantagem de ser renovável, por ser composto de celulose e óleo, suas
características são similares à biomassa de eucalipto, destacando-se principalmente o seu
maior valor energético, sendo que os valores apresentados para PCI do resíduo de filtração
celulósico foram 6860 kcal/kg, enquanto que, para a biomassa de eucalipto o PCI é de 2747
kcal/kg. Com a analise preliminar constatou-se que reutilizando o resíduo de filtração como
combustível reduziria significativamente os custos da empresa com aquisição de biomassa de
eucalipto em torno de R$ 17.932,00 mensais.
Palavras-chaves: Auxiliar filtrante. Resíduo de filtração. Combustão.
5
ABSTRACT
Biodiesel production typically uses filtration to remove insoluble materials present in
the liquid medium in the preparation steps of raw material and purification of the final
product. For this purpose, it can be produced using filter auxiliary based on cellulose fibers,
which are less harmful to the environment and having property for recycling energy.
Introducing this feature residue combustibility, it ceases to be a waste of the process and pass
be a fuel for boilers. Therefore the aim of this study was to identify the thermal potential of
residue cellulosic filtration originated in the biodiesel production process, through a
compound sample filters during removal of cleanings and performing analyzes to characterize
the waste. With the results we conduct an immediate and elemental characterization of the
waste, measure its thermal potential reactions of combustion gases generated after complete
combustion and conducting a preliminary economic analysis, always making a comparison
with eucalyptus biomass by also being a compound cellulosic and be the fuel currently used in
the boiler of the company in question. The filter has the advantage of being renewable, which
is composed of cellulose and oil, its characteristics are similar to eucalyptus biomass,
highlighting especially their higher energy value and the amounts presented for PCI filtration
residue cellulosic was 6860 kcal / kg, while for the PCI eucalyptus biomass is 2747 kcal / kg.
With the preliminary analysis it was found that reusing the filtration residue as fuel would
significantly reduce the company's costs with purchase of eucalyptus biomass around
R$17,932.00 monthly.
Keyword: Auxiliary filter, residue filtration, combustion.
6
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Participação da oferta interna de energia em 2012 ................................................... 11 Figura 2: Volume de Biodiesel Produzido no Brasil ................................................................ 14 Figura 3: Processo de Pré-Tratamento de óleo desenvolvido pela empresa Crown Iron ......... 16 Figura 4: Filtro vertical hermético de placas modelo HBV...................................................... 18
Figura 5: Processo de Produção de Biodiesel desenvolvido pela empresa Crown Iron ........... 19 Figura 6: Reação de transesterificação de triglicerídeos com Metanol .................................... 20 Figura 7: Fluxograma do processo de Filtração ....................................................................... 21 Figura 8: Filtro horizontal hermético de placas modelo HBH ................................................. 21 Figura 9: Etapas da combustão da madeira .............................................................................. 35
Figura 10: Esquema de uma caldeira a vapor para biomassa ................................................... 44
Figura 11: Resíduo de filtração do biodiesel ............................................................................ 46 Figura 12: Composição volumétrica dos gases da combustão do resíduo de filtração (%) ..... 57
Figura 13: Composição volumétrica dos gases da combustão da biomassa de eucalipto (%) . 58
7
LISTA DE TABELAS Tabela 1: Evolução da oferta interna de energia no horizonte decenal .................................... 12 Tabela 2: Variação do PCS e PCI da lenha de eucalipto com a umidade ............................... 31 Tabela 3: Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca .................... 32
Tabela 4: Análises Realizadas .................................................................................................. 47 Tabela 5: Composição do eucalipto x Composição do resíduo de filtração ............................. 50 Tabela 6: Determinação da massa de trabalho ......................................................................... 53 Tabela 7: Reações químicas da combustão completa do resíduo de filtração .......................... 54 Tabela 8: Ar teórico necessário para combustão de um quilograma de combustível............... 55
Tabela 9: Ar real para combustão de um quilograma de combustível ..................................... 55 Tabela 10: Composição do ar da combustão de um quilograma de combustível .................... 56 Tabela 11: Componentes dos produtos da combustão de um quilograma de combustível ...... 56 Tabela 12: Avaliação econômica preliminar ............................................................................ 58
8
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 9 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 11
2.1 Matriz Energética Brasileira ...................................................................................... 11 2.2 Indústria de Biodiesel ................................................................................................ 14
2.2.1 Panorama Nacional do Biodiesel ........................................................................ 14 2.2.2 Processo Produtivo do Biodiesel ........................................................................ 15
2.3 Celulose como auxiliar de filtração ........................................................................... 22 2.3.1 Celulose JRS ....................................................................................................... 24 2.3.2 Terra de celulose como adsorvente .................................................................... 25
2.4 Combustíveis utilizados em caldeiras ........................................................................ 26
2.4.1 Combustíveis Sólidos ......................................................................................... 27 2.4.2 Combustíveis Líquidos ....................................................................................... 28
2.4.3 Combustíveis Gasosos ........................................................................................ 28 2.5 Potencial da Biomassa ............................................................................................... 29 2.6 Propriedades dos Combustíveis ................................................................................. 30
2.6.1 Poder Calorifico .................................................................................................. 30
2.6.2 Composição Química da Biomassa .................................................................... 32 2.7 Combustão da Biomassa ............................................................................................ 34
2.8 Reações da Combustão .............................................................................................. 37 2.9 Gases Gerados na Combustão .................................................................................... 38 2.10 Fornalhas e Caldeiras ................................................................................................. 42
2.10.1 Fornalhas ............................................................................................................ 42 2.10.2 Caldeiras ............................................................................................................. 43
3 METODOLOGIA .............................................................................................................. 46 3.1 Amostragem ............................................................................................................... 46
3.2 Caracterização do resíduo de filtração ....................................................................... 47 3.3 Reações e Gases gerados na combustão do resíduo de filtração ............................... 48
3.3.1 Reações de combustão do resíduo de filtração ................................................... 48 3.3.2 Gases gerados na combustão do resíduo de filtração ......................................... 48
3.4 Analise econômica preliminar ................................................................................... 50 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS ................................................ 50
4.1 Resultados Obtidos .................................................................................................... 50
4.2 Combustão Completa do Resíduo de Filtração .......................................................... 53 4.3 Requisito de Ar para a Combustão Completa do Resíduo de Filtração ..................... 54
4.4 Gases gerados na Combustão de um quilograma de Resíduo de Filtração ............... 56 4.5 Avaliação econômica preliminar ............................................................................... 58
4.6 Impactos da carbonização do resíduo de filtração celulósico .................................... 59 4.6.1 Negativos ............................................................................................................ 59 4.6.2 Positivos ............................................................................................................. 59
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................... 61 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 62
6 ANEXO I ........................................................................................................................... 66
9
1 INTRODUÇÃO
O Brasil possui uma matriz energética com maior potencial de uso de energias
renováveis no mundo (ALMEIDA, 2010), a geração elétrica de origem hídrica é
predominante, mas o fato de já utilizar biocombustíveis faz com que o Brasil esteja em uma
posição de destaque, referenciado pelos países desenvolvidos.
Enquanto as fontes energéticas tradicionais declinam, as fontes renováveis
apresentam-se como alternativa viável, conquistando espaço na matriz energética brasileira
por ser considerada inesgotável e por apresentarem menores danos ao meio ambiente. Entre as
fontes renováveis incluem a energia solar, geotérmica, energia hídrica (rios, marés e ondas),
eólica e a biomassa.
Para muitos a geração de energia por fontes renováveis é vista como uma iniciativa
isolada, que não está apta a atender à grande demanda de um país continental, mas a
possibilidade de criação de fontes de suprimento descentralizadas e em pequena escala é
essencial para o desenvolvimento sustentável, seja em países desenvolvidos ou em países em
desenvolvimento. A geração de fontes de energia alternativas não pressupõe o abandono
imediato do uso de recursos tradicionais, mas a energia gerada e consumida reduzirá custos
pela substituição do consumo de fontes pagas (PLANETA, 2014).
O Brasil a partir de 2005 passou a usar o biodiesel como uma das energias renováveis
utilizadas no país. Este pode ser fabricado a partir de muitas matérias primas, tais como óleos
vegetais, gorduras animais, óleos residuais e até ácidos graxos livres. O mercado deste
combustível tem crescido muito nos últimos anos, o aumento dos preços do petróleo e busca
por fontes renováveis motivaram a inserção no mercado do biodiesel (LORA, 2012).
No processo produtivo do biodiesel há a necessidade de purificação do mesmo, sendo
uma destas etapas a de filtração. Neste momento é adicionado no processo um auxiliar de
filtração de natureza celulósica que tem a função de retirar impurezas do biodiesel. Este
material vem a substituir a terra diatomácea e perlita no processo de filtração que são de
natureza inorgânica e após sua utilização eram descartados em aterros de resíduos perigosos,
gerando passivo ambiental (JRS, 2010).
O auxiliar de filtração de celulose também gera um resíduo, composto de material
celulósico e impregnado com óleo, podendo ser reaproveitado como combustível (JRS, 2010).
Assim, faz-se necessário um estudo aprofundado para que se possa destinar este material para
aplicações de finalidade nobre e agregando valor utilizando-o como um combustível em uma
caldeira, caracterizando uma recuperação energética.
10
Neste sentido pergunta-se: há condições técnicas e econômicas para uso deste resíduo
como combustível em uma caldeira? Para responder a esta questão foi necessário: caracterizar
o resíduo, conhecer as reações de combustão, gases gerados e realizar uma viabilidade
econômica preliminar.
11
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Matriz Energética Brasileira
Um estudo realizado pelo World Energy Council (WEC) conclui que, sob as condições
atuais de consumo e tecnologias disponíveis, a demanda energética mundial em 2020 irá se
incrementar em torno de 50% a 80% com relação a 1990 (OMER, 2008). Assim, espera-se
que o consumo de energia aumente de 22 bilhões de kWh/ano para 53 bilhões de kWh/ano
nesse período.
Em consequência do incremento previsto na demanda mundial de energia, a pressão
sobre a infraestrutura atual será maior, assim como os danos ao meio ambiente, causados
pelos GEE (CO, CO2, SO2, NOx principalmente), desta forma, soluções a longo prazo para o
desenvolvimento sustentável devem ser tomadas. Neste aspecto os recursos energéticos
renováveis, dentre eles a bioenergia, aparecem como uma solução de grande potencial.
Neste contexto o Brasil é o sétimo maior consumidor de energia do mundo segundo o
Banco Mundial, o país está atrás de China, EUA, Rússia, Índia, Japão e Alemanha.
A oferta de energia no Brasil está em 42,4% de energias renováveis e 57,6% de
energias não renováveis conforme Figura 1, onde a biomassa corresponde a 28,6% do todo.
Figura 1: Participação da oferta interna de energia em 2012
Fonte: EPE, 2013.
12
Segundo (EPE 2013) apesar de faltar bastante para o país ser sustentável em energia
renovável, a participação destas energias na matriz brasileira manteve-se entre as mais
elevadas do mundo com um valor de 42,4%, onde no mundo a participação das energias
renováveis é de 13,2%.
Uma importante consideração quando se avalia a matriz energética brasileira é que o
consumo per capita de energia no Brasil ainda é muito baixo. A estimativa é que em 2012 o
país consumiu 1,224 toneladas equivalentes de petróleo por habitante (tep/hab) e com
intensidade energética 0,060 tep por U$ mil de PIB. Isso é cerca de seis vezes menos do que o
consumo nos EUA, 7,051 tep/hab (2010), a maior economia do mundo. Portanto, embora a
questão da eficiência energética e a questão da sustentabilidade impactem o consumo,
certamente as políticas de inclusão social e de redução da desigualdade levarão à necessidade
de se ampliar muito a disponibilidade de energia no País. Podemos antever que o aumento da
população mundial, principalmente nos países em desenvolvimento (China, Índia, América
Latina e África), levará ao crescimento da demanda por habitação (programa minha casa
minha vida, por exemplo), e ao aumento da demanda do setor industrial e de transporte que
são os principais vetores para o crescimento do consumo mundial de energia (BUENO, 2013).
A oferta estimada de energia até 2021 para o Brasil está representada na Tabela 1,
contendo as energias renováveis e não renováveis.
Tabela 1: Evolução da oferta interna de energia no horizonte decenal
Fonte: MME, 2011
Observa-se que a oferta de energia no Brasil é bastante limpa, sendo 42,4% da oferta
total de energia renováveis, porém a dependência do petróleo e seus derivados ainda são altos.
Sendo as energias não renováveis finitas, isso mostra que o país ainda tem muito que evoluir
13
para chegar a uma matriz energética renovável sendo muito lentamente a mudança, conforme
perspectiva de aumento de 1,9% das energias renováveis para 2021.
O esgotamento das reservas de petróleo e a consequente elevação do seu preço, além
das emissões decorrentes do seu uso, têm levado à implementação de programas que visam à
utilização massiva de combustíveis alternativos, dentre os quais se destacam a energia
hidráulica, biocombustíveis e a biomassa.
Segundo (PORTAL, 2013) diz que as fontes para produção de energia, a biomassa
apresenta um grande potencial de crescimento nos próximos anos, de acordo com os estudos
de planejamento do Ministério de Minas e Energia (MME). Ela é considerada como uma
alternativa viável para a diversificação da matriz energética dos países, em substituição aos
combustíveis fósseis, como petróleo e carvão, por exemplo.
Biomassa é toda matéria orgânica não fóssil, de origem animal ou vegetal, que pode
ser utilizada na produção de calor, seja para uso térmico industrial, seja para geração de
eletricidade e/ou que pode ser transformada em outras formas de energias sólidas (carvão
vegetal, briquetes), líquidas (etanol, biodiesel) e gasosas (biogás de lixo), (PORTAL, 2013).
Até 2021, segundo os estudos do (MME, 2011), identificam a manutenção da
participação das fontes renováveis na matriz energética, acima de 44%, ficando a biomassa
com percentuais superiores a 30%. Em 2021, especificamente, a biomassa chegará a 32,4% de
participação.
De acordo com os princípios de desenvolvimento sustentável, a utilização da biomassa
para energia é reconhecida como uma medida de mitigação do aquecimento global, pois
substitui os combustíveis fósseis e diminui a emissão de gases de efeito estufa (STUPAK et
al., 2007). O uso da madeira para produção de energia apresenta menores problemas de
poluição quando comparada aos combustíveis fósseis, tendo em vista que esta possui um
baixo teor de enxofre (CUNHA et al., 1989). Além disto, o uso da biomassa tem um outro
aspecto ambiental favorável já que a emissão de CO2 da queima da biomassa na atmosfera
geralmente é compensada pela absorção no plantio da nova biomassa (INGHAM, 1999).
14
2.2 Indústria de Biodiesel
2.2.1 Panorama Nacional do Biodiesel
O Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB), lançado pelo
Presidente da República, em dezembro de 2004, visa implementar, de forma sustentável tanto
técnica como economicamente, a produção e uso de biodiesel, em cujas diretrizes encontram-
se a implantação de um programa sustentável que promova a inclusão social, a garantia de
preços competitivos e produção a partir de diferentes fontes oleaginosas em regiões diversas
conforme características locais.
Em 13 de janeiro de 2005 a lei nº. 11.097 estabeleceu a obrigatoriedade da adição de
biodiesel no diesel, exigindo um percentual inicial de 2% a partir de 2008, com elevação para
5% em 2013. Em 01 de julho de 2009 foi estabelecido pela resolução nº. 2/2009 do Conselho
Nacional de Política Energética a elevação do percentual para 4%. A partir de 01 de janeiro de
2010 o óleo diesel comercializado no país passou a conter 5% de biodiesel (B5).
O Brasil desde o inicio do PNPB já produziu aproximadamente 14 bilhões de litros de
biodiesel e após o aumento da mistura de biodiesel no diesel para 5% o país vem produzindo
quase 3 bilhões de litros ano conforme Figura 2, é um setor que já evoluiu muito desde o
inicio do programa em 2005 (BIODIESELBR, 2014).
Figura 2: Volume de Biodiesel Produzido no Brasil
Fonte: BIODIESELBR, 2014
Além do aumento na demanda por este combustível, o setor produtivo do biodiesel no
mês de maio de 2014 teve uma grande notícia que através de medida provisória a mistura de
biodiesel no diesel passará de 5% para 6% em julho e 7% em novembro, com este aumento de
-
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
3.000.000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
69.002
404.096
1.167.114
1.608.442
2.379.535
2.672.760 2.717.483 2.917.488
Pro
du
ção
em
m³
Ano
15
2%, impulsiona o setor para novos investimentos e aumenta a participação de energia
renovável na matriz energética brasileira (BIODIESELBR, 2014).
2.2.2 Processo Produtivo do Biodiesel
O biodiesel é um combustível biodegradável produzido a partir de recursos renováveis
provenientes da biomassa, o que diminui a dependência do petróleo, mediante processo
produtivo que consome óleos vegetais ou gorduras animais como matéria-prima principal. Por
ser utilizado puro ou misturado com o diesel de petróleo em diversas proporções em motores
de ignição à compressão (motores ciclo diesel), dispensando, conforme teor de mistura,
modificações e/ou adaptações dispendiosas. Trata-se de um combustível de uso simplificado,
não tóxico e essencialmente livre de compostos sulfurados e aromáticos (LORA, 2012).
Segundo (FACCINI, 2008) a definição química do Biodiesel é um monoaquilésteres
de ácidos graxos de cadeia longa (com ou sem duplas ligações) fabricado a partir da reação
entre gorduras (animal, vegetal e óleo descartados de frituras) e álcool de cadeia curta, através
de uma reação de transesterificação, em presença de catalisador e com formação de glicerina.
O processo de produção de biodiesel é composto das seguintes etapas: preparação da
matéria-prima, reação de transesterificação, separação de fases, recuperação e desidratação do
álcool, destilação da glicerina e fase final de purificação (LORA, 2012).
2.2.2.1 Preparação da Matéria Prima
A matéria-prima para a produção do biodiesel deve possuir principalmente baixos
índices de umidade, acidez. Para tanto óleos com elevados teores destes compostos
necessitam de um pré-tratamento, para reduzir os valores a indicadores aceitáveis, só assim
este óleo irá para a fabricação do biodiesel, criando melhores condições para a realização da
reação de transesterificação, obtendo máxima taxa de conversão (LIMA, 2003).
O processo convencional contínuo para preparação de óleos se divide em diversas
etapas, dependendo do tipo de óleo (variedade de oleaginosas empregada no processo) e
qualidade do óleo. No caso do óleo de soja bruto, faz-se necessário a degomagem,
neutralização e filtração. A maior parte das substâncias é removida no processo de preparação
da matéria prima, a fim de estabilizar o óleo, mas ocasiona alguns problemas, tais como:
perda de triglicerídeos, grande quantidade de produtos químicos necessários ao processo,
geração de efluentes contaminados e consumo energético elevado (LOPES, 2008).
16
Nesta etapa são removidos os fosfatideos não hidratáveis, fosforo, magnésio e cálcio
(componentes esses que saem com a goma). Ao reagir com ácidos graxos livres, responsáveis
pela acidez no óleo, a soda caustica é responsável pela neutralização do óleo reduzindo o
excesso acidez. Os ácidos graxos são então transformados em sabões (goma) que são
removidos do óleo por processo de centrifugação (LOPES, 2008).
A etapa de clarificação com filtração é uma etapa essencial na preparação da matéria
prima. O auxiliar filtrante é utilizado para remover componentes coloridos (pigmentos, por
exemplo), traços de metais, fosfolipídios, sabões e produtos de oxidação tais como peróxidos
(MORETTO, 1998)
A empresa Crown Iron dos Estados Unidos propõe o esquema da Figura 3 para o
processo de preparação da matéria prima para a produção do biodiesel.
Figura 3: Processo de Pré-Tratamento de óleo desenvolvido pela empresa Crown Iron
Fonte: LORA, 2012
No processo o ácido fosfórico é usado na quebra das moléculas dos fosfatideos não
hidratáveis, permitindo a hidratação, combinando-se com sais de cálcio e magnésio dando
origem a borra. A dosagem dependerá do teor residual de fósforo e da acidez encontrada no
óleo vegetal (ERICKSON, 1995).
A soda caustica é utilizada para neutralizar a acidez livre contida no óleo. A quantidade
de soda usada é a necessária para neutralizar a acidez mineral “acido” e os ácidos graxos
17
livres, que favorece a separação de sabões. A água utilizada no processo deverá ser ausente de
cálcio e magnésio (dureza), e tem a função de diluir a soda para uma menor concentração e
hidratar os fosfatideos quebrados pelo acido (LOPES, 2008).
O óleo entra então em um reator, que é um tanque de contato, com agitação lenta, onde
o tempo de residência varia de acordo com a carga de processo. Esse tempo é que possibilita a
neutralização e o aglomerado das partículas de sabão junto com a quebra da molécula do
fosfatideos não hidratável. É no reator que acontece a reação entre os produtos químicos
(soda-ácido) com a água e o óleo, que resultará na borra de refino que posteriormente será
separada por centrifugação (LOPES, 2008).
As centrifugas são equipamentos que trabalham com alta rotação e separam a borra do
óleo por diferença de peso (densidade). O processo de separação é realizado num conjunto de
pratos que consiste em um grande numero de peças cônicas colocadas uma sobre a outra, em
um recipiente rotativo, quando em operação a partícula mais pesada sofre influência da força
centrifuga separando-se (DORSA, 2014).
A purificação do óleo após a neutralização ocorre em um secador que trabalha com
sistema de vácuo. O óleo deve ser aquecido para possibilitar a evaporação da água (LOPES,
2008).
A parte de filtração consiste na retirada de sabão residual, fosfolipídios do óleo e
substancias insolúveis no meio. A preparação de um filtro consiste em uma pré-capa nas
placas, com recirculação do óleo com auxiliar de filtração para formar uma proteção uniforme
na placa de 1 mm a 3 mm, só após esta pré-capa é que inicia o processo de filtração com
adição de auxiliar de filtração constantemente. Quando o filtro satura, ou seja, os poros do
auxiliar filtrante estão todos preenchidos diminuindo a permeabilidade no meio não passando
mais a vazão do processo pelo filtro, faz-se então a troca de filtro, por um que possui a pré-
capa pronta. A limpeza de um filtro é realizada com a retirada do óleo do filtro e
posteriormente uma sopragem de ar comprimido para secagem da torta, que é descartada para
um container (DORSA, 2014).
18
Figura 4: Filtro vertical hermético de placas modelo HBV
Fonte: HOLLBRAS, 2014
Nos processos de preparação da matéria prima, normalmente são utilizados dois filtros
verticais em paralelo, como o Filtro Vertical Hermético de Placas Modelo HBV evidenciado
na Figura 4. Este é um equipamento extremamente versátil e econômico, composto por um
vaso vertical, com tampa de fácil abertura por parafusos olhais e sistema de turco com macaco
hidráulico. Seus elementos de filtração são placas compostas por telas metálicas ou de tecidos
em diferentes configurações. Permite tanto a descarga dos sólidos secos, por sistema
pneumático de vibração; como úmidos, por lavagem com bicos de alta pressão; ou uma
combinação dos dois sistemas. Opera completamente fechado, oferecendo segurança à
operação e ao meio ambiente. Pode operar de forma completamente automática
(HOLLBRAS, 2014).
2.2.2.2 Reação de Transesterificação
A reação de transesterificação é a etapa de conversão da matéria prima em ésteres
metílicos ou etílicos de ácidos graxos, resultando no biodiesel propriamente dito. Após esta
etapa, segue-se com a separação das fases por meio de decantação e/ou centrifugação. O
resultado são duas fases distintas, a glicerina bruta (impregnada dos excessos de álcool, de
água, e de outras impurezas) e a segunda fase é constituída da mistura de ésteres metílicos ou
etílicos, também impregnados de impurezas e excessos reacionais de álcool (PARENTE,
2003).
19
A empresa Crown Iron dos Estados Unidos propõe o esquema da figura 5 onde são
ilustradas as etapas do processo de produção do biodiesel.
Figura 5: Processo de Produção de Biodiesel desenvolvido pela empresa Crown Iron
Fonte: LORA, 2012
O óleo bruto após receber o pré-tratamento, chega ao processo de transesterificação
com um teor de impurezas reduzido (teores baixos de acidez, umidade, sabões e outros), este
óleo é aquecido a uma temperatura na faixa de 60°C a 70°C para acelerar a taxa de reação que
é fortemente influenciada pela temperatura, a faixa de temperatura ótima está situada logo
abaixo do ponto de ebulição do álcool (LORA, 2012).
A reação ocorre em um Reator que consiste na mistura dos triglicerídeos presentes nos
óleos vegetais ou gorduras animais com álcool em presença de catalisador. Esta mistura é
realizada por agitação mecânica para permitir a transferência de massa, garantindo á rápida
homogeneização das matérias primas (LORA, 2012).
A reação ocorre como mostrado na Figura 6, uma molécula de óleo contendo um
triglicerídeo reage com 3 moléculas de metanol, sendo esta reação acelerada por um
catalizador que pode ser o metilato de sódio. Cada molécula de álcool ocupara o lugar de um
dos glicerídeos assim formando o biodiesel e a glicerina. A glicerina é um subproduto do
20
biodiesel que se separa por diferença de densidade: o biodiesel mais leve fica na parte
superior e a glicerina mais pesada decanta (SOUZA, 2006).
Figura 6: Reação de transesterificação de triglicerídeos com Metanol
Fonte: SOUZA, 2006.
A relação molar também é um fator de grande importância na produção do biodiesel,
embora a relação molar de álcool:triglicerídeo para a transesterificação seja de 3:1, relações
mais elevadas são usadas para acentuar a solubilidade e aumentar o contato entre as moléculas
de triglicerídeos e do álcool. Para todos os níveis de mistura a relação molar 8:1 conduz uma
taxa de conversão significativamente mais elevada do que para a relação de 6:1
(NOUREDDINI et al, 1998).
Tanto o biodiesel como a glicerina passa por processos de purificação, onde são
neutralizados com ácido, após é retirado à umidade e o excesso de metanol. Por processo de
evaporação, recupera-se o álcool, eliminando os componentes voláteis da glicerina e do
biodiesel. O biodiesel também passa por um processo de lavagem para retirada do glicerol
livre residual (LORA, 2012).
Após estes processos o biodiesel é filtrado para a retirada de sedimentos que tenham se
formado durante a sua produção e qualquer material insolúvel que tenha no meio, conforme
Figura 7. A preparação de um filtro consiste em uma pré-capa nas placas, com recirculação do
óleo com o auxiliar de filtração para formar uma proteção uniforme na placa de 1 mm a 3
mm, só após esta pré-capa pronta é que inicia o processo de filtração com adição de auxiliar
constantemente. Quando o filtro satura, ou seja, o os poros do auxiliar filtrante estão todos
preenchidos diminuindo a permeabilidade no meio, não passando mais pelo filtro a vazão do
processo, faz-se então a limpeza do filtro. A limpeza de um filtro é realizada com a retirada do
óleo do filtro e posteriormente uma sopragem de ar comprimido para secagem da torta, que
pode ser descartada para um container. Enquanto executa-se a limpeza do filtro, o biodiesel
pode ficar sendo armazenado em um tanque que comporte a produção durante o procedimento
de limpeza. Quando a pré-capa estiver pronta inicia-se a filtração novamente (DORSA, 2014).
Glicerina Biodiesel
21
Figura 7: Fluxograma do processo de Filtração
Para a produção do biodiesel, normalmente são utilizados filtros verticais por
possuírem uma maior área de filtração, como o Filtro Horizontal Hermético de Placas Modelo
HBH ilustrado na Figura 8. Este utiliza como elemento de filtração placas composto por telas
metálicas e/ou de tecidos em diferentes combinações. As placas são posicionadas
verticalmente em um vaso horizontal, para facilitar o acesso a estas, quando a operação assim
o exige, ou quando uma maior área de filtração é necessária. Permite tanto a descarga dos
sólidos secos, por sistema pneumático de vibração; como úmidos, por lavagem com bicos de
alta pressão; ou uma combinação dos dois sistemas. Opera completamente fechado, quando
em filtração, oferecendo segurança à operação e ao meio ambiente (HOLLBRAS, 2014).
Figura 8: Filtro horizontal hermético de placas modelo HBH
Fonte: HOLLBRAS, 2014
22
A ANP - Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis é o órgão
regulador da indústria do petróleo, gás natural, seus derivados e biocombustíveis, que tem
como finalidade promover a regulação, a contratação e a fiscalização das atividades
econômicas integrantes da indústria em questão, é a ANP quem regulamenta as especificações
técnicas do biodiesel, a capacidade de produção de cada empresa, os leilões de biodiesel, entre
outros.
2.3 Celulose como auxiliar de filtração
Os Auxiliares Filtrantes desempenham um dos papéis mais importantes dentro do
processo de transformação do óleo bruto em óleo neutralizado e na produção de biodiesel,
pois é este produto que deixará o visual limpo, sem presença de impurezas sólidas, sejam eles
sabões que se formam no processo, emulsões, resíduos de fosforo, etc.
A sua escolha, característica, origem, homogeneidade e forma de emprego impactam
grandemente nos resultados de filtração, não somente em termos de qualidade do filtrado
como em produtividade do processo.
Os auxiliares filtrantes são um grupo de substâncias em forma de pó classificadas
conforme sua origem. Durante o processo de preparo dos filtros, são depositados por sobre os
elementos filtrantes do equipamento, uma pré-camada de auxiliar filtrante, formam do um
gradiente de permeabilidade, bloqueando a passagem de substâncias insolúveis que possam
obstruir as placas filtrantes o equipamento. Existem vários tipos, características e
fornecedores de auxiliares filtrantes disponíveis. A seleção dos diferentes tipos para a filtração
em questão leva em consideração uma série de estudos avaliando, por exemplo: a
característica do produto que será à base do processo de filtração, as especificações que se
deseja obter, o tipo de instalações disponíveis e sua condição de operação. Não existe uma
receita fixa para todos os sistemas de filtração, já que processos variam, bem como
características de matérias primas, mesmo para um sistema de filtração comum, as
composições de auxiliares filtrantes devem estar sempre sendo adequadas.
A avaliação constante dos itens acima descritos e técnicas de preparo fazem a diferença
no resultado. É por este motivo que é muito difícil de encontrar na bibliografia conhecida,
informações profundas sobre o assunto.
Para o processo de produção de biodiesel pode-se empregar como auxiliar filtrante a
celulose, um biopolímero, que é a matéria-prima renovável mais importante na natureza.
Cerca de 33% de toda a matéria vegetal é a celulose. A celulose é o componente estrutural da
23
parede das plantas verdes, algumas formas de algas e os oomicetos célula primária. Ser
orgânico, a celulose é totalmente biodegradável e amigo do ambiente. Para utilização
industrial, a celulose é obtida principalmente a partir de polpa de madeira, algodão, entre
outras matérias-primas (JRS, 2010).
Os auxiliares de filtração devem ter tamanhos, resistência e elasticidade específica para
aplicação, o que os transforma em produtos muitas vezes de preço elevado. Eles apresentam
algumas características que conforme a aplicação podem trazer significativos resultados em
algumas aplicações (CANCELLARA, 2004):
Forma uma pré-camada muito regular ajudando na distribuição das partículas;
Ajuda na clarificação de óleos e cervejas;
Como possui cargas eletricamente carregadas atrai certos tipos de partículas de
cargas opostas. Esta característica não existe nas perlitas e diatomitas e por isso
constitui um diferencial em certas aplicações;
A utilização de celulose em composição com a terra dá ao meio filtrante uma
maior elasticidade e, portanto o leito filtrante resistirá mais a variações de pressão;
São utilizadas em combinação com diatomitas e perlitas proporcionando maior
versatilidade aos controles dos parâmetros da filtração.
As fibras de celulose misturadas as diatomitas, são elementos que modificam a
permeabilidade do meio e aumentam o grau de retenção do mesmo. Por exemplo,
em geral os auxiliares filtrantes grossos têm alta permeabilidade e coeficiente de
retenção baixo.
O inverso ocorre com os auxiliares filtrantes finos. Se agregarmos teores entre 10 a
20% de fibras de celulose a estes auxiliares será modificado os respectivos graus
de retenção e permeabilidade. Os graus de diatomita grossa (permeabilidade > 0,9
darcies1) vão ter aumentados o seu poder de retenção. Esta é a principal vantagem
das fibras de celulose.
Devemos levar em conta que para utilizar as fibras de celulose, além dos graus
ideais de diatomita que vamos utilizar como base, existem uma série de tipos de
celulose que se diferem por longitude, diâmetro e grau de permeabilidade das
fibras.
1 Na geologia, a permeabilidade é a medida da capacidade de um material (tipicamente uma rocha) para
transmitir fluídos. A unidade de permeabilidade é o Darcy (1 Darcy = 1 x 10-12
.m2). A permeabilidade é usada
para calcular taxas de fluxo através da lei de Darcy.
24
2.3.1 Celulose JRS
Atualmente a J. Rettenmaier & Söhne (JRS) é um líder mundial, dinâmico na indústria
da fibra. Através de intensa pesquisa e desenvolvimento JRS expandiu dramaticamente
incorporando pulverização, fracionamento e refinamento de processos especializados,
altamente técnicas. Através de 15 unidades de produção distribuídas entre Finlândia,
Alemanha, EUA e México, a JRS abastece o mercado internacional com celulose de madeira,
frutas e produtos de fibra de grãos em uma variedade de formas, incluindo fibras, pós,
grânulos, lascas e aglomerados, para diversas aplicações farmacêuticas e de alimentos, para
uso técnico e industrial.
As fibras de celulose são alternativas eficientes para a substituição da terra de
diatomáceas e perlita, ou um suplemento para estes produtos, trabalhando em conjunto
perfeitamente (não em todos os casos). Além de sua excelente ação de separação, fibras
orgânicas podem ser eliminadas de uma forma ambientalmente amigável, e são inofensivos
para os trabalhadores, confiável e altamente eficazes.
Além disso, através de uma intensa pesquisa, a JRS tem desenvolvido novos produtos
que podem substituir no branqueamento outros auxiliares em algumas aplicações. Novas
fibras de celulose que são ativadas por ácido fornecem não só todas as suas propriedades
filtrabilidade inatas, mas também propriedades adsorventes que juntos formam um produto
com muitas vantagens.
A filtração é, em muitos processos de produção, um indicativo de qualidade e uma boa
relação de determinação de custo para o processamento. Por esta razão auxiliares de filtração,
em particular, estão sendo continuamente melhorados, a fim de atender às crescentes
demandas de rentabilidade, saúde ocupacional, segurança e compatibilidade ambiental.
A variedade de produtos JRS especialmente desenvolvidos para pré-revestimento de
filtração que pode ser utilizado em todos os sistemas convencionais de pré-capa de filtros sem
qualquer dificuldade e garantir uma solução eficaz e econômica para praticamente todos os
trabalhos de filtração. Os produtos da JRS podem ser usados até 100%, como um pré-capa do
filtro ou continuamente no processo, a dosagens completamente análogas a diatomita e
Perlita. Em certos casos, as misturas de componentes orgânicos e minerais são vantajosos e
convenientes. Auxiliares de filtração orgânicos formam bolos de filtro altamente poroso com
numerosos vazios e canais muito finos. Eles segura firmemente as fibrilas e partículas de a
garantir altas taxas de filtração combinados com longos tempos de vida de filtros. Devido à
sua flexibilidade, a pressão elástica e propriedades estrutura de empréstimo, auxiliares de
25
filtração orgânicos também são utilizados como auxiliares de compressão e desidratação. A
ação de drenagem altamente eficaz de fibras orgânicas levam a elevados rendimentos do
produto (filtrado), ciclos mais curtos prementes e conteúdos de matéria seca superiores. Ao
mesmo tempo, as fibras evitam de forma segura fissuras nas placas e, como resultado, facilita
a limpeza posterior do elemento no filtro.
As áreas em que se pode utilizar a fibra se celulose são: indústria farmacêutica,
indústria alimentar sucos de frutas e licores da indústria de processamento de metais
tecnologia de tratamento de lodo de águas residuais e químicos, bebidas e outros.
2.3.2 Terra de celulose como adsorvente
Por uma ativação ácida adicional, a FILTRACEL celulose tornar-se um adsorvente
único, transformando-se em processo de aditivos de alto desempenho, chamado filtracel
active. A acidificação ativa a capacidade de adsorção de uma terra de branqueamento2
combinado com a filtrabilidade insuperável de ajudas de filtro de celulose, sendo então os
únicos absorventes no mercado destinado especificamente para ser auxiliares de filtração. A
filtracel active não é um "agente clareador", mas remove sabões, metais, fosfolipídios e outros
contaminantes polares muito mais eficaz e eficiente do que a terra de branqueamento. Assim,
eles são produtos perfeitos como uma alternativa para as misturas de terra de
diatomite auxiliares de filtração e de branqueamento adsorventes terra, ou para formar uma
combinação destes produtos, em função da aplicação.
As áreas de aplicação:
Óleo de cozinha e sebo: Branqueamento, remoção de cor, enquanto a sua capacidade
de adsorção de substâncias polares é limitado. Baseado em partículas minerais
pequenos e pesados, filtrabilidade de terra de branqueamento é muito pobre. Filtracel
active permite a terra de branqueamento de agir no que é bom: descoloração. Isto
reduz significativamente a quantidade total de adsorventes de melhorar a economia de
branqueamento.
Economiza tempo e produtos químicos, melhorando a descarga de grades de filtragem,
permitindo que nenhum resíduo permaneça nas telas e evitar o trabalho intenso para a limpeza
dos elementos filtrantes.
2 Terra de branqueamento: auxiliar de filtração não celulósica que pode ser misturado com a terra de filtração
celulósica. (Diatomitas, perlitas e outros).
26
Custos que estão ligados à disposição e perda de óleo são frequentemente
subestimados, embora eles representem grandes partes dos custos totais de
branqueamento. Ativos reduzem consideravelmente o total de terra de branqueamento de
consumo, o que resulta em menos desperdício para ser eliminado, e reduzir drasticamente a
perda de óleo.
Biodiesel: Filtracel active remove sabões, traços de metais, fosfolipídios e outros
contaminantes polares muito mais eficaz e eficiente do que a terra de
branqueamento. No entanto, não é um agente de branqueamento e não removendo a
cor de óleos. Além disso, branqueamento de cor não é necessário na produção de
biodiesel. Consequentemente, a terra de branqueamento não é mais necessária.
Tal purificação adsorvente permite também reduzir lavagem com água ou mesmo
eliminação de centrifugas de lavagem em biodiesel. Daí, “ativos” minimiza os custos
operacionais através da redução da quantidade total de adsorventes, terminando em menos
desperdício a ser descartado (bolos de filtração usada), menor perda de produto (biodiesel ou
óleo de bolo de filtração), e menos águas residuais / fluxo de efluente a ser tratado.
Assim, os custos de destinação podem ser reduzidos devido à menor quantidade de
resíduos a serem eliminados e o alto poder calorífico do filtro bolos contendo celulose (que
pode ser comercializados como uma valiosa fonte de energia).
2.4 Combustíveis utilizados em caldeiras
Combustível é toda a substância capaz de queimar e alimentar a combustão. É o
elemento que serve de campo de propagação ao fogo. Os combustíveis podem ser sólidos,
líquidos ou gasosos, e a grande maioria precisa passar pelo estado gasoso para, então,
produzir vapores inflamáveis capazes de se combinar com o oxigênio. A velocidade da
queima de um combustível depende de sua capacidade de combinar com oxigênio sob a ação
do calor e da sua fragmentação (área de contato com o oxigênio).
(BIZZO, 2003) diz que para que um material possa ser considerado industrialmente
como sendo “combustível”, são necessários os seguintes requisitos técnicos e econômicos:
Disponibilidade;
Facilidade de uso;
Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou corrosivas;
Fácil obtenção;
27
Baixo custo de produção;
Segurança no armazenamento e no transporte.
Nos dias atuais, os combustíveis são representados pelos materiais carbonáceos
comumente disponíveis e que podem ser queimados facilmente ao ar atmosférico com
desprendimento de grande quantidade de calor e controlável sem grande esforço.
2.4.1 Combustíveis Sólidos
Os principais combustíveis sólidos são derivados de madeira e o carvão mineral,
destacando-se atualmente também o bagaço de cana, entre outros. São de grande importância
na produção de energia térmica, porém está restrita a região sul do Brasil, por estar mais
próximos aos centros produtores. A lenha tem grande importância dada ao seu potencial de
utilização.
São determinados alguns parâmetros relacionados com a utilização do combustível
como o carbono fixo, material volátil, cinzas, umidade, enxofre total.
O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia
termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre, não é
muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras.
Os derivados de madeira são um combustível amplamente utilizado tanto em
aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor, principalmente
em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por baixo teor de cinzas, ausência total de
enxofre e umidade variável, a qual depende do tempo e método de armazenagem.
O bagaço da cana-de-açúcar é o combustível das usinas de açúcar e álcool e utilizado
localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas não consomem todo o bagaço
produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros, "in natura" ou seco e enfardado. O
bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A composição
elementar é muito semelhante à lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares,
exceto é claro, quanto a sua forma física.
No ANEXO I estão demostrados o poder calorifico para diversos combustíveis
sólidos, destacando-se o carvão vegetal que possui um valor de 7500 kcal/kg. Este
combustível é um derivado da madeira e representa 1,8% na matriz energética brasileira (EPE
2013).
28
2.4.2 Combustíveis Líquidos
Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria pelas facilidades de
armazenamento, operação e transporte, e os derivados de petróleo praticamente estão
presentes na maioria das aplicações.
O combustível líquido tem certas vantagens comparação com os sólidos, tais com
poder calorifico elevado (variando entre 5500 kcal/l para o álcool a valores acima de 9000
kcal/l para outros óleos combustíveis, ANEXO I), maior facilidade e economia de
armazenagem e fácil controle de consumo. A maioria dos combustíveis líquidos são obtidos a
partir do petróleo como gasolina, querosene e óleo diesel, outros a partir de fontes renováveis
como álcool, biodiesel e bioquerosene.
O óleo combustível extraído do petróleo é a fração mais importante para os sistemas
de aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no início da utilização do
petróleo, frações mais leves tais como o diesel e o querosene terem sido utilizadas,
atualmente, tais derivados são reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de
combustível, como os motores de combustão interna (ciclos diesel e turbinas de aviação). A
tendência atual é adequar o perfil de refino a maior produção de diesel e consequentemente, o
óleo combustível utilizado pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas, além
do maior teor de enxofre. A especificação básica para os óleos combustíveis são a
viscosidade, o ponto de fluidez e o teor de enxofre.
Outros combustíveis líquidos renováveis como o álcool e biodiesel tem tidos
importantes participações no segmento energético brasileiro, sendo consumidos puros ou
misturados com derivados de petróleo, como o diesel com o biodiesel e a gasolina com o
álcool. Estes combustíveis se destacam pelo baixo teor de enxofre e pela fixação do gás
carbônico.
2.4.3 Combustíveis Gasosos
Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na indústria nacional,
respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu
crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior
dificuldade de transportes, entre os mais comuns utilizados no país estão o GLP - Gás
Liquefeito de Petróleo e o Gás Natural.
29
Gás Liquefeito de Petróleo: é importante combustível, tanto de aplicação industrial
como doméstica, conhecido popularmente no Brasil como gás de cozinha. O GLP é de grande
aplicabilidade como combustível devido à facilidade de armazenamento e transporte a partir
do seu engarrafamento em vasilhames (botijões, cilindros e outros) (ARRUDA, 2009). O GLP
(50%), composto pela combinação dos gases propano (50%) e butano (50%), apresenta um
valor energético de 12200 kcal/kg conforme ANEXO I.
Gás Natural: tem sido explorado recentemente, porém, deve ser transportado por
gasodutos, o que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em
infraestrutura. A combustão do gás natural é limpa, isenta de fuligem e outros materiais que
prejudicam o meio ambiente. Geralmente apresenta baixos teores de contaminantes como o
nitrogênio, dióxido de carbono, água e compostos de enxofre. Caracteriza-se principalmente
por sua eficiência, limpeza e versatilidade. Contribui para reduzir o desmatamento e diminuir
o tráfego de caminhões que transportam óleos combustíveis para as indústrias (ARRUDA,
2009). O gás natural apresenta um valor energético de 9000 kcal/m³ conforme ANEXO I.
Por apresentarem valores energéticos altos, amos os combustíveis possuem uma
participação de 7,2% para o gás natural e 3,2% para o GLP, na matriz energética brasileira
(EPE 2013), evidenciando que mais de 10% da energia utilizada no país provem de
combustíveis gasosos.
2.5 Potencial da Biomassa
O uso energético da biomassa é baseado na utilização dos resíduos primários (resíduos
agrícolas e florestais), secundários (indústrias madeireira, moveleira, resíduos de
processamento de alimentos, da produção de carvão vegetal, da criação de animais, etc.) e
terciários (decorrentes do consumo de alimentos e materiais), assim como da biomassa gerada
diretamente para esta finalidade em plantações energéticas (HOOGWIJK et all, 2003).
Pode ser considerada biomassa todo recurso renovável que provêm de matéria
orgânica - de origem vegetal ou animal - tendo por objetivo principal a produção de energia.
A biomassa é uma forma indireta de aproveitamento da luz solar: ocorre a conversão da
radiação solar em energia química por meio da fotossíntese, base dos processos biológicos de
todos os seres vivos (MMA, 2014).
Uma das principais vantagens da biomassa é que seu aproveitamento pode ser feito
diretamente, por meio da combustão em fornos, caldeiras, etc. Para que seja aumentada a
eficiência e sejam reduzidos os impactos socioambientais no processo de sua produção,
30
porém, estão sendo desenvolvidas e aperfeiçoadas tecnologias de conversão mais eficientes
como a gaseificação e a pirólise, também sendo comum a cogeração em sistemas que utilizam
a biomassa como fonte energética (MMA, 2014).
Atualmente, a biomassa vem sendo bastante utilizada na geração de eletricidade,
principalmente em sistemas de cogeração e no fornecimento de energia elétrica para
demandas isoladas da rede elétrica (MMA, 2014).
Outra importante vantagem é que o aumento na sua utilização pode estar associado à
redução no consumo de combustíveis fósseis, como o petróleo e seus derivados, que não são
matérias-primas renováveis (MMA, 2014).
O Brasil, por possuir condições naturais e geográficas favoráveis à produção de
biomassa, pode assumir posição de destaque no cenário mundial na produção e no uso como
recurso energético. Por sua situação geográfica, o país recebe intensa radiação solar ao longo
do ano - o que é a fonte de energia fundamental para a produção de biomassa, quer seja para
alimentação ou para fins agroindustriais. Outro aspecto importante é que possuímos grande
quantidade de terra agricultável, com boas características de solo e condições climáticas
favoráveis. No entanto, é necessária a conjugação de esforços no sentido de que esta produção
ou o seu incremento seja feito de maneira sustentável, tanto do ponto de vista ambiental
quanto social (MMA, 2014).
No Brasil, existe ainda muito resíduo sendo desperdiçado, podendo, se bem utilizado,
significar um acréscimo na geração de energia (MMA, 2014).
2.6 Propriedades dos Combustíveis
Como complemento necessário à descrição do processo de combustão de um
combustível, bem como a otimização do mesmo, são discutidas as principais propriedades de
um combustível, tais como composição elementar e imediata, poder calorifico, cinzas, teor de
voláteis entre outras.
2.6.1 Poder Calorifico
O poder calorífico de um combustível é o número de calorias liberadas na combustão
completa de uma unidade de massa do combustível, sendo expresso geralmente em kcal/kg,
para combustíveis sólidos e líquidos e, em kcal/m³, para combustíveis gasosos.
31
O poder calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor
desprendida na sua queima completa, estequiometricamente. Caso esta quantidade de calor
seja medida com a água gerada na queima na fase gasosa, o poder calorífico é chamado de
Poder Calorífico Inferior (PCI), e caso a água gerada na combustão seja considerada na fase
líquida, tem-se o Poder Calorífico Superior (PCS), (GARCIA, 2002).
Poder Calorífico Superior é Obtido quando resfriamos os fumos da combustão até a
temperatura ambiente. Dessa forma, ocorre à condensação do vapor de água, e a
quantidade de calor medida inclui o calor de condensação da água.
Poder Calorífico Inferior é obtido deduzindo-se do valor do poder calorífico superior,
a quantidade de calor relativa à condensação do vapor de água. Tudo se passa como se
a medida de quantidade de calor fosse feita, deixando a água presente nos fumos sair
do sistema na forma de vapor.
Esta propriedade é de grande importância, principalmente quando se pensa na
utilização de um resíduo com grande potencial de ser utilizado como fonte de energia. O
controle das propriedades energéticas eleva a eficiência do material e o tornam mais
competitivo frente a outras fontes de energia. Esse controle depende não somente do poder
calorífico, mas também do teor de umidade e teor de cinzas, dentre outros.
Um fator que influencia o poder calorífico é o teor de umidade que quanto maior,
menor é o poder calorífico. Este fato é explicado tendo em vista que um combustível com
maior teor de umidade necessitará de maior quantidade de calor para evaporação de sua água.
Tabela 2: Variação do PCS e PCI da lenha de eucalipto com a umidade
UMIDADE (%) PCS - kcal/kg PCi - kcal/kg
0 4552 4202
10 4092 3717
20 3632 3237
30 3172 2742
40 2712 2262
50 2252 1777
Fonte: BRANCO, 2012
A Tabela 2 mostra a variação do PCI da lenha de eucalipto com o teor de umidade.
Com isso podemos verificar que conforme aumenta o teor de umidade, diminui a quantidade
de energia liberada durante a queima. Estes dados são valores médios para a madeira,
podendo haver diferenças dependendo do tipo e composição da madeira.
32
2.6.2 Composição Química da Biomassa
Composição química elementar: corresponde ao conteúdo percentual em massa dos
principais elementos que constituem a biomassa. São geralmente apresentados valores para o
carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), oxigênio (O), nitrogênio (N) e cinzas (A).
Geralmente, o conteúdo se refere à matéria seca, ou seja, sem a presença de água
(NOGUEIRA, 2000).
Composição química imediata: refere-se ao conteúdo percentual, baseado na massa
do combustível. São geralmente apresentados valores para carbono fixo (CF), matérias
voláteis (MV), cinzas (CZ) e, eventualmente, umidade (U) (NOGUEIRA, 2000). A Tabela 3
apresenta as características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca.
Tabela 3: Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca
Fonte: LORA, 1997
Como pode ser verificada na Tabela 3 a madeira é composta basicamente de oxigênio,
hidrogênio e carbono. Carbono equivale a praticamente metade do composto com 49%, o
oxigênio 44%, e o hidrogênio, a 6% da composição química do Eucalipto.
Segundo (JENKINS et al, 1998) a biomassa possui elevado conteúdo de voláteis
(MV), usualmente na faixa de 70% a 80%, enquanto o carvão mineral é composto apenas de
10% a 50% de voláteis. Um importante indicador é representado pela relação entre o teor de
voláteis (MV) e o conteúdo de carbono fixo (CF) do combustível. A biomassa tipicamente
possui uma relação MV/CF maior que 4,0, enquanto para o carvão mineral esta relação é
sempre menor que 1,0.
33
Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico
dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em combustíveis vegetais, sendo que sua
presença diminui o poder calorífico dos combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar
de combustão.
Um aspecto importante a considerar é o teor de cloro Cl na composição química da
biomassa, que de acordo com (VASSILIEV et al, 2010). Pode estar na faixa entre 0,01% e
0,9%. Os maiores valores correspondem às biomassas herbáceas e os menores à madeira.
Altos teores de Cl provocam corozão nos superaquecedores das caldeiras.
Um combustível sólido apresenta as seguintes características:
A. Teor de Umidade: A umidade presente no combustível sólido é importante para
determinação de seu poder calorífico inferior, devendo estar abaixo de 25 % para
aproveitamento do material para a combustão e não redução do poder calorífico
disponível na madeira (FARINHAQUE, 1981). Esta parcela do combustível apenas
absorve parte da energia do combustível para evaporar e sair do processo com os gases
resultantes da combustão na forma de vapor.
B. Materiais Voláteis: Podem ser definidos como substâncias que são desprendidas do
combustível como gases durante a carbonização e/ou queima. Os fatores que
influenciam os materiais voláteis nos combustíveis são: temperatura de carbonização,
taxa de aquecimento e composição química. A temperatura é o principal parâmetro
que regula os teores de materiais voláteis e carbono fixo. A matéria volátil é composta
de hidrocarbonetos eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são
formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de carbono e
metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama, no acendimento
e no volume necessário da fornalha. Os voláteis compreendem a parte do combustível
que se evapora quando ele é aquecido a altas temperaturas e têm um importante papel
na combustão. Após a evaporação, misturam-se com o oxigênio do ar e entram em
combustão. De um modo geral, um combustível com altos teores de voláteis queimam
mais rapidamente.
C. Teor de Cinza: é um resíduo mineral proveniente dos componentes minerais. Em
algumas espécies e, principalmente na casca, o teor de cinzas é elevado. Geralmente, o
carvão vegetal apresenta baixo teor de cinzas quando comparado com o coque
mineral. Os minerais presentes na madeira e carvão são considerados indesejáveis do
ponto de vista energético, pois em algumas situações, quando queimados em
fornalhas, caldeiras, etc, formam incrustações nos equipamentos e tubulações,
34
entupindo as passagens das grelhas, as entradas de ar de combustão, depositam-se nas
paredes de tijolos refratários, tubos das paredes de água, tubos dos superaquecedores,
alterando as características de troca térmica. Todavia, em algumas espécies,
principalmente na casca, o teor de cinza é elevado, porque a casca sempre possui mais
minerais que a madeira propriamente dita. A cinza é determinada pela combustão
completa do combustível e engloba todos os constituintes minerais do combustível,
que aparecem praticamente só nos combustíveis sólidos e compreendem compostos
de; Óxido de alumínio (Al2O3); Óxido férrico (Fe2O3); Óxido de silício (SiO2); etc.
D. Teor de Enxofre: é uma característica importantíssima para especificação e utilização
de combustíveis. Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade
formam ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. H2SO4 é o
principal causador de "chuva ácida", com consequências desastrosas ao meio
ambiente. A formação e condensação de ácido sulfúrico dependem do teor de SO2, e
consequentemente do teor de enxofre no combustível, e da pressão parcial do vapor de
água nos gases de combustão.
E. Carbono Fixo: é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil.
Compõe-se principalmente de carbono, embora possa conter outros elementos não
liberados durante a volatilização.
2.7 Combustão da Biomassa
A queima direta ou combustão é a tecnologia de conversão da biomassa mais antiga e
mais difundida comercialmente, aplicada fundamentalmente para madeira e diversos resíduos
agroindustriais, como bagaço de cana e a casca de arroz. A biomassa é um combustível rico
em voláteis, que constituem cerca de ¾ do seu peso. Isso faz com que o processo de
combustão transcorra em seis etapas consecutivas bem definidas (LORA, 2012):
1. Secagem
2. Emissão de voláteis
3. Ignição dos voláteis
4. Queima dos voláteis em chama
5. Extinção da chama dos voláteis
6. Combustão do resíduo de carbono.
A Figura 9 relaciona a fração em massa consumida e a temperatura correspondente a
cada uma das etapas para a queima da madeira (HELLWIG, 1982). Durante o processo de
35
combustão da biomassa deve-se considerar que este transcorre primeiramente em uma etapa
homogênea, que é a queima dos voláteis, e depois em uma etapa heterogênea, representada
pela combustão do resíduo de carbono ou coque. De acordo com as condições de
fornecimento e mistura de ar ao combustível, geralmente a velocidade das fases iniciais é
superior à da última fase quando o combustível queima no estado sólido. E determinadas
circunstancias, nas quais existe pouca disponibilidade de oxigênio na grelha, o coque queima
parcialmente e se transforma em CO, que queima juntamente com os voláteis sob a camada de
combustível com o ar secundário, neste caso somente se observam cinco etapas no processo
de combustão.
Figura 9: Etapas da combustão da madeira
Fonte: LORA, (2012)
As etapas de secagem, pirólise e gaseificação são os primeiros passos do processo de
combustão de um combustível sólido. Porem, a relativa importância destes estágios varia,
dependendo da tecnologia de combustão adotada, das propriedades do combustível e das
condições do processo de combustão. Em aplicações de larga escala com alimentação
contínua de combustível, tais como grelhas móveis, estes processos irão acontecer em
diferentes seções da grelha.
Na secagem, a umidade irá evaporar a baixas temperaturas (50°C – 100°C). Em
caldeiras que utilizam madeira como combustível foi determinado que o processo de
combustão não pode ser mantido se o conteúdo de umidade da madeira exceder 60% em peso
(base úmida). A madeira úmida requer tanta energia para evaporar a umidade contida, e
subsequentemente aquecer o vapor de água, que as temperaturas iriam ser reduzidas abaixo da
36
temperatura mínima requerida para sustentação da combustão, por isso o conteúdo de
umidade do combustível é uma variável muito importante.
A celulose, como componente majoritário, é uma substância que se constitui de largas
cadeias de polissacarídeos. Trata-se de um dos produtos da fotossíntese, que constitui a maior
parte da madeira seca e a conversão em CO e água quando a madeira é queimada faz com que
haja desprendimento da energia armazenada em sua estrutura. Assim como na respiração, a
queima de combustíveis libera a energia armazenada para ser convertida em formas de
energia útil.
A pirólise pode ser definida como a degradação térmica (devolatilização) em ausência
de um agente oxidante, fornecido externamente. Os produtos da pirólise são principalmente
alcatrão, resíduo de coque e gases de baixo peso molecular. Também podem ser formados CO
e CO2 em quantidades consideráveis. O tipo de combustível, temperatura, pressão e tempo de
reação são variáveis que afetam as quantidades e propriedades dos produtos formados.
A devolatilização da madeira começa a 200°C, e as taxas de devolatilização aumentam
com a elevação da temperatura. Primeiro ocorre à decomposição das hemiceluloses da
madeira e logo, a temperaturas mais elevadas, a celulose. A 400°C a maior parte da madeira
já volatizou e a taxa de devolatilização diminui rapidamente. Na faixa de temperatura
localizada entre 400°C e 500°C se observam uma baixa taxa de devolatilização, isto é causado
pela decomposição da lignina, que ocorre ao longo deste intervalo de temperatura.
O principal parâmetro de combustão é o excesso de ar (α) que descreve a relação entre
as quantidades real e estequiométrica do ar de combustão. Quando se queima biomassa em
leito fixo sobre uma grelha, os voláteis se desprendem e são queimados sobre o leito, deste
modo é imperativo que o fluxo do ar de combustão seja dividido em duas partes: ar primário,
para a combustão do resíduo de coque e ar secundário, para a combustão dos voláteis, tal
como ocorre em sistemas industriais.
A combustão é um fenômeno complexo que envolve simultaneamente transferência de
calor e de massa com reações químicas e escamento de fluidos. O diagnostico do processo de
combustão para finalidade de projeto e controle requer o conhecimento das propriedades do
combustível e a maneira como estas propriedades influenciam o resultado do processo de
combustão.
37
2.8 Reações da Combustão
As reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível são
denominadas reações da combustão. Materiais ou compostos são considerados combustíveis
industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para
aproveitamento industrial (BAZZO, 1992).
Segundo (TORREIRA, 1995), os combustíveis industriais são compostos
principalmente por carbono, hidrogênio e pequenas quantidades de enxofre. Sendo assim, a
combustão completa é obtida quando o carbono queima convertendo-se em dióxido de
carbono (CO2), o hidrogênio em água (H2O) e o enxofre em dióxido de enxofre (SO2). Na
combustão completa de um combustível formaram-se os seguintes gases:
Equação 1 C + O2 CO2 + 94,03 kcal
Equação 2 H2 + 1/2O2 H2O + 68,37 kcal
Equação 3 S + O2 SO2 + 70.8 kcal
O que isso significa é que são produzidos 94,03kcal de carbono divididos por 12
temos 7,8 kcal por grama de carbono. Para o hidrogênio são produzidas 34,2 kcal de calor por
grama de H, pois são apenas dois hidrogênios, sendo isto quatro vezes mais do que o calor
produzido na combustão de 1 g de C. O enxofre produz muita pouca energia ficando com
2,21kcal por grama.
Sendo assim a partir destas reações é possível determinar a reação estequiométrica da
combustão em quilogramas de reagentes conforme massa atômica de cada composto, onde:
Equação 4 12kgC + 32kgO2 44kg CO2
Equação 5 2kgH2 + 16kgO2 18kgH2O
Equação 6 32kgS + 32kgO2 64kgSO2
Assim chegamos a conclusão que para queimar 1kg de carbono são necessários 2,67kg
de oxigênio, para a queima de 1kg de hidrogênio são necessários 8kg de oxigênio e para a
queima de 1kg de enxofre são necessários 1kg de oxigênio, conforme demostrado a seguir:
Equação 7 1kgC + 2,67kgO2 3,67kg CO2
Equação 8 1kgH2 + 8kgO2 9kgH2O
Equação 9 1kgS + 1kgO2 2kgSO2
Estas equações servem para demostrar a quantidade de ar teórico necessário para a
combustão completa de um quilograma de combustível e servirão como base para os cálculos
de geração de gases da caldeira.
38
2.9 Gases Gerados na Combustão
De acordo com (PERA, 1966), podemos dizer que a combustão será completa quando
toda a massa de carbono, hidrogênio e eventual enxofre tenham reagido com o oxigênio para
formar respectivamente CO2, H2O e SO2. Os produtos formados na combustão são
denominados gases da combustão.
Para se obter a combustão completa são necessários e suficientes duas condições: a
combinação do combustível e do comburente (O2) e que a reação se efetue com uma
temperatura suficientemente elevada. Na prática para obter uma combustão completa deverá
ser insuflada uma quantidade de ar superior à teórica (TORREIRA, 1995).
(BAZZO, 1992) diz que: “em geral, os valores correspondentes ao volume de ar ou ao
volume de gases de combustão são calculados em m³n/kg comb, onde “n” indica a base de
cálculo para as condições normais de temperatura e pressão (0 °C; 760 mmHg).
Naturalmente, os valores calculados não são definitivos e devem ser corrigidos para m³/kg
comb, de acordo com cada caso, levando-se em conta a temperatura real do ar ou dos gases de
combustão.”
Para efeito de análise ou de projeto do equipamento, além do ar de combustão, são
necessários também que sejam definidos os valores correspondentes aos gases de combustão:
Mg = Massa real de gases de combustão (kg/kg comb);
Vg = Volume real de gases de combustão (m³n/kg comb).
Segundo (PERA, 1966), a um combustível sólido apresenta a seguinte composição
química:
Equação 10
C = Carbono
H = Hidrogênio
O = Oxigênio
N = Nitrogênio
S = Enxofre Total
A = Teor de Cinzas
W = Teor de Umidade
Para obter-se a massa em kg de cada um dos componentes do combustível, divide-se a
composição da massa de trabalho por 100, levando em consideração a massa de 1 kg do
combustível.
39
Equação 11
Depois de conhecer a composição em massa e as principais reações químicas da
combustão é possível calcular o volume teórico de ar necessário para a combustão completa
de um quilograma de combustível.
Para a combustão de um quilograma do combustível é preciso uma quantidade de
oxigênio igual à soma todos os elementos presentes combustão que o necessitam, ou seja:
Equação 12
Levou-se em consideração a parcela de hidrogênio já combinada com o próprio
oxigênio do combustível e que, naturalmente, não reagirá com o oxigênio do ar, então houve a
necessidade de se subtrair esta quantidade;
Equação 13
Em termos de volume, o ar atmosférico é constituído de 21% de oxigênio e 79% de
nitrogênio e em massa o ar é constituído de 23% de oxigênio e 77% de nitrogênio (BAZZO
1992), foi então tomada à percentagem de oxigênio no ar para se calcular o volume de ar
teoricamente necessário para a combustão de um kg de combustível.
Equação 14
[
]
= Volume Teórico de Ar.
= 1,428 kg/m³ a pressão de 1bar e 0ºC.
Para determinar a quantidade teórica de ar em massa foi utilizada a seguinte fórmula:
Equação 15
= Massa de ar teórica
a 1 bar e 0ºC.
A temperatura de referencia utilizada foi de 0ºC para calculo do volume teórico de ar,
se for calcular para outra temperatura, utiliza-se a seguinte equação da termodinâmica:
Equação 16
(
)
= Volume de ar diferente de zero
Como na prática é preciso fornecer um volume de ar um pouco maior que o volume
teoricamente necessário para se obter a combustão completa, o volume real de ar fornecido
para a combustão é determinado pela expressão:
Equação 17
Volume de ar Real
40
= Coeficiente de Excesso de Ar
Para se determinar a quantidade de ar em massa será utilizada a seguinte formula:
kg/kg
Massa de ar real
Os produtos gerados nos processos de combustão através de todos os seus
componentes são: Dióxido de Carbônico (CO2), Dióxido de Enxofre (SO2), Nitrogênio (N2),
Oxigênio (O2) e Água (H2O).
Como o CO2 e o SO2 possuem propriedades físicas quase iguais foram calculados em
conjunto e a soma deles foi dada por RO2:
A partir das equações estequiométricas temos que:
1kg de carbono gera 1,866m³ de CO2;
1 kg de carbono gera 0,7m³ de SO2;
Equação 18
Volume de CO2 e SO2 gerados.
A partir do conhecimento do volume é possível determinar a quantidade de gases em
quilogramas gerados, através das seguintes formulas:
Equação 19
Equação 20
Equação 21
= densidade do CO2 é de 1,977 kg/m³
= densidade do SO2 é de 2,86 kg/m³
O volume de nitrogênio é constituído do nitrogênio contido no combustível e do
nitrogênio do ar. Para determinar o nitrogênio precedente do ar usou-se a seguinte expressão:
Equação 22
Para determinar o nitrogênio precedente do combustível usou-se:
Equação 23
= peso específico do N2 1,25kg/m³
Com a soma das duas parcelas obteve-se o volume teórico de nitrogênio presente nos
produtos da combustão.
Equação 24
41
Para calculo do volume real de nitrogênio presente nos produtos da combustão levou-
se em consideração o coeficiente de excesso de ar.
Equação 25
A partir do conhecimento do volume real de nitrogênio é possível determinar a
quantidade de nitrogênio em massa através da seguinte fórmula:
Equação 26
O vapor de água chega aos gases produzidos pela combustão por três vias:
a) Umidade do combustível (Wt);
b) Reação do hidrogênio do combustível com o oxigênio (R);
c) Umidade do ar (d);
As equações utilizadas para os cálculos de cada componente foram as seguintes:
Equação 27 ( )
Equação 28 ( )
Equação 29 ( )
= peso específico da água 0,805kg/m³
d = umidade absoluta média do ar 10g de vapor / kg de ar
O volume teórico total de vapores de água presentes nos produtos da combustão foi
calculado com a soma dos três componentes:
Equação 30
O volume real de vapores de água presentes nos produtos da combustão foi calculado
levando-se em consideração o excesso de ar:
Equação 31
A partir do conhecimento do volume real de vapores de água é possível determinar a
quantidade em massa através da seguinte fórmula:
Equação 32
O volume real de oxigênio presente nos fases da combustão foi calculado através da
seguinte expressão:
Equação 33
Não houve a necessidade de se calcular o volume teórico de oxigênio, pois todo o
oxigênio presente nos produtos da combustão é proveniente do excesso de ar, ou seja, o
volume teórico de oxigênio presente nos gases sempre será igualo a zero.
42
A partir do conhecimento do volume foi determinada a quantidade de oxigênio em
massa através da seguinte fórmula:
Equação 34
O volume teórico total dos produtos da combustão foi calculado através da soma e
todos os seus componentes, considerando-se um coeficiente de excesso de ar igual a um, ou
seja, excesso de ar igual à zero:
Equação 35
O volume real total dos produtos da combustão foi calculado através da soma e tosos
os seus componentes considerando-se um coeficiente de excesso de ar maior do que um, ou
seja, excesso de ar diferente de zero:
Equação 36
A massa total dos produtos da combustão de um quilograma de combustível foi
calculada através da soma da massa de todos os seus componentes, considerando-se o
coeficiente de excesso de ar adotado.
Equação 37
2.10 Fornalhas e Caldeiras
2.10.1 Fornalhas
Segundo (PAULA, 2007), as fornalhas são equipamentos destinados à conversão
energética da biomassa em gases à alta temperatura, podendo este combustível se apresentar
em diferentes formas, tais como aparas de madeira, serragem, resíduos agroindustriais,
resíduos de extrativismo florestal, pellets, etc.
Os aspectos mais importantes da queima da biomassa em fornalhas industriais estão
relacionados à combustão em camada ou em suspensão. A espessura da camada do
combustível altera o mecanismo de queima. Quando se tem combustão com uma camada
grossa existe uma zona de redução onde o carbono reage com o CO2, que é um produto da
combustão para formar CO. Dessa maneira, acima da camada a chama é produzida pela
queima dos voláteis e do CO gerado na zona de redução. O oxigênio do ar é consumido
totalmente na zona de oxidação, o que provoca o aparecimento da zona de redução. A
combustão em camada fina é caracterizada pela ausência da zona de redução, o que faz com
que a chama seja produto apenas da queima dos voláteis.
43
O ar primário é introduzido abaixo da grelha e o ar secundário e acima da camada de
combustível. O preaquecimento do ar é um fator importante para a intensificação da
combustão, estando a temperatura máxima do ar limitada pela resistência mecânica do
material da grelha. Para combustíveis com elevado teor de voláteis, como a biomassa, a
temperatura do ar recomendada é da ordem de 200°C a 250°C. No caso de não se utilizar o
preaquecimento do ar, uma parte do calor gerado na combustão será consumida para a
elevação da temperatura do ar, diminuindo a eficiência da fornalha.
As fornalhas podem ser classificadas de duas maneiras: a primeira pendendo da
maneira com que é realizada a combustão, e a segunda atendendo as características
construtivas da mesma. A classificação das fornalhas segundo o modo de combustão é a
seguinte:
Fornalhas de combustão pulverizada ou em suspensão;
Fornalhas de combustão em leito fixo com queima em grelhas e grelhas com
alimentação inferior;
Fornalhas de queima em leito fluidizado borbulhante e circulante.
As fornalhas para queima de biomassa in natura ou paletizada geralmente são de
queima em deposição sobre a grelha e podem ser classificadas de acordo com a maneira pela
qual a biomassa é alimentada na mesma. Os três tipos básicos de alimentação são alimentação
inferior, alimentação lateral (horizontal) ou alimentação superior.
2.10.2 Caldeiras
Denomina-se caldeira ao conjunto formado pela fornalha, dutos de gases e superfícies
de aquecimento, por onde circula o fluido de trabalho. As caldeiras ou geradores de vapor
podem ser basicamente de dois tipos: flamotubulares ou aquatubulares. Nas caldeiras
flamotubulares os produtos da combustão circulam por dentro dos tubos e transferem sua
energia térmica para a agua que as rodeia. Este tipo de caldeira é bastante empregado, embora
apresente limites em termos de capacidade de produção que vão até aproximadamente 20 t/h e
pressão máxima de vapor de 2,0 Mpa. As aquatubulares são aquelas na qual existem tubos
metálicos cheios de água, que são expostos ao calor da fornalha, para gerar vapor de alta
pressão e temperatura.
Na figura 10 apresenta-se um esquema de uma caldeira aquatubular moderna para a
queima de biomassa. De acordo com a numeração empregada nesta figura, seus principais
elementos e suas respectivas funções.
44
Figura 10: Esquema de uma caldeira a vapor para biomassa
Fonte: LORA, 2012
1. Fornalha: espaço destinado para a combustão dos gases resultantes da pirólise da
biomassa, a qual está disposta em camada sobre a grelha. Em sistemas de queima em
suspensão o combustível sólido queimara em todo volume da fornalha.
2. Grelha: elemento responsável pela sustentação da biomassa em combustão e pela
distribuição do ar primário. A grelha também garante a remoção periódica das cinzas
acumuladas. As características dos materiais de construção da grelha limitam a
temperatura de aquecimento do ar primário em aproximadamente 300°C.
3. Alimentadores de biomassa: possuem a função de fornecer o combustível que vai ser
queimado na fornalha, distribuindo-o em uma camada homogênea sobre a grelha.
Podem ser mecânicos ou pneumáticos.
4. Paredes de água: as paredes de água são compostas por superfícies evaporativas que
cobrem parcial ou totalmente as paredes da fornalha. Elas são constituídas por tubos
cilíndricos, nos quais ocorre a circulação da água e a sua evaporação. Geralmente
utiliza-se a circulação natural do fluido de trabalho.
5. Feixe convectivo: grupo de tubos que conectam o tambor superior ao inferior. É
também uma superfície evaporativa, que recebe calor dos gases predominantemente
por convecção. Caldeiras modernas com um único tubulão não possuem feixe
convectivo.
6. Tambor superior: recebe a mistura água-vapor que chega das superfícies evaporativas.
A função do tambor é realizar a separação do vapor saturado das gotículas de água e
45
fornecer água para as superfícies evaporativas, através de tubos alimentadores
descendentes. O tambor superior também é utilizado para o controle da qualidade do
vapor e a adição de reagentes químicos na água de alimentação.
7. Tambor inferior: serve como coletor e distribuidor de água para evaporação.
8. Superaquecedor: é um trocador de calor, no qual acontece a conversão do vapor
saturado em superaquecido.
9. Pré-aquecedor de ar: é a superfície na qual o aquecimento do ar que está introduzido
na fornalha juntamente coma a biomassa. Utiliza a energia térmica residual disponível
nos produtos de combustão.
10. Economizador: é um trocador de calor, que possui a função de pré-aquecer a água de
alimentação até a temperatura de saturação, a partir dos gases de combustão. O
economizador é um elemento chave para incrementar a eficiência da caldeira, já que
contribui para a redução da temperatura dos gases de combustão antes de serem
emitidos pela chaminé.
11. Lavador de gases: equipamento utilizado para a remoção das cinzas voláteis através
da lavagem do gás de exaustão.
12. Soprador 01: equipamentos empregados para o fornecimento de ar primário.
13. Soprador 02: equipamentos empregados para o fornecimento de ar secundário.
14. Exaustor: é um ventilador utilizado para a remoção dos produtos da combustão
através da chaminé.
15. Chaminé: duto usado para a condução dos gases de exaustão para a atmosfera.
16. Duto de ar primário: fornece um fluxo de ar abaixo da grelha predominantemente
para assegurar a queima do carbono fixo da biomassa uma camada sob a grelha.
17. Dutos de ar secundário: injeta o fluxo de ar necessário para garantir a queima dos
voláteis no volume da fornalha.
18. Condensador: equipamento utilizado para a obtenção do condensado a ser utilizado
no dessuperaquecimento.
19. Dessuperaquecedor: dispositivo empregado para o controle (diminuição) da
temperatura do vapor através da injeção de condensado.
20. Soprador auxiliar: equipamento utilizado para o fornecimento de ar necessário na
alimentação pneumática do combustível.
46
3 METODOLOGIA
3.1 Amostragem
Foi coletado amostra do resíduo de filtração do processo de biodiesel de uma empresa
localizada no estado do Rio Grande Sul. Este resíduo provem da limpeza dos filtros após
apresentarem saturação e não atender mais a vazão de processo, esta no estado sólido
conforme figura 11 e possui um grande quantidade de óleo impregnada.
Figura 11: Resíduo de filtração do biodiesel
A amostragem foi organizada de modo a atender a ABNT NBR 10007:2004 que diz:
Amostra composta: Soma de parcelas individuais do resíduo a ser estudada, obtidas em
pontos, profundidades e/ou instantes diferentes, através dos processos de amostragem. Estas
parcelas devem ser misturadas de forma a se obter uma amostra homogênea.
Para se obter uma amostragem mais homogênea, fazendo com que caracterizasse todo
o resíduo de filtração, foram realizadas as seguintes considerações:
O processo de fabricação do biodiesel é continuo, portanto a fabrica opera 24h
por dia em escalas de revezamento, que são divididas em quatro turnos de seis
horas.
Os ciclos de filtração do processo variam conforme a quantidade de
contaminantes que estão óleo e vazão da planta, variando de 15 a 50 horas cada
ciclo de limpeza.
Fazendo estas ressalvas, foi solicitado aos operadores que retirassem cinco amostras
de aproximadamente um quilograma cada de resíduo a cada limpeza de filtro, tato no filtro
47
utilizado para preparo da matéria prima, como o filtro usado na purificação do biodiesel. Com
isso resultou em dez amostras de um quilograma cada, sendo cinco amostras de cada
processo.
Das amostras coletadas, chegou-se a uma massa de 10 kg de resíduo, onde foram
retirados 3 kg e enviados a CIENTEC para analises e 2 kg para analises efetuadas nos
laboratórios da UPF.
Como são gerados aproximadamente 1125 kg de resíduo diariamente, sendo 35% da
etapa de preparação da matéria prima e 65% da etapa de filtração do biodiesel final, a
amostragem deverá ser proporcional ao percentual de resíduo gerado. Sendo assim dos 5 kg
coletados para analises, 1,75 kg eram do processo de preparação da matéria prima e os outros
3,25 kg do processo de filtração do biodiesel.
3.2 Caracterização do resíduo de filtração
O programa consistiu na caracterização elementar e imediata do resíduo de filtração dos
processos de preparação da matéria prima e fabricação de biodiesel. Para tanto foram
realizadas análises nos laboratórios da UPF e as outras foram enviadas para a CIENTEC3. A
tabela 4 demonstra as análises realizadas em cada laboratório:
Tabela 4: Análises Realizadas
Análises Laboratório Método
Poder Calorífico Superior CIENTEC ASTM D 5865
Poder Calorífico Inferior CIENTEC ASTM D 5865
Umidade CIENTEC ASTM D 2016
Cinzas CIENTEC ASTM D 7582
Materiais Voláteis CIENTEC ASTM D 7582
Carbono Fixo CIENTEC ASTM D 7582
Enxofre Total CIENTEC ASTM D 4239
Carbono CIENTEC ASTM D 3176
Hidrogênio CIENTEC ASTM D 3176
Nitrogênio CIENTEC ASTM D 3176
Oxigênio CIENTEC ASTM D 3176
Peso Específico UPF ASTM D 70
Óleos e Graxas UPF APHA 1995
3 CIENTEC – Fundação de Ciência e Tecnologia. Realiza ensaios de caracterização de combustíveis sólidos
(carvão, coque, biomassa) para utilização na geração de energia ou para fins de pesquisa, cobrindo praticamente
a totalidade das determinações necessárias para sua caracterização.
48
3.3 Reações e Gases gerados na combustão do resíduo de filtração
3.3.1 Reações de combustão do resíduo de filtração
Para determinar as reações de combustão considerou-se a combustão completa do
resíduo de filtração. Ela é obtida quando o carbono queima convertendo-se em dióxido de
carbono (CO2), o hidrogênio em água (H2O) e o enxofre em dióxido de enxofre (SO2),
conforme equações 1, 2 e 3:
Equação 1 C + O2 CO2 + 94,03 kcal
Equação 2 H2 + 1/2O2 H2O + 68,37 kcal
Equação 3 S + O2 SO2 + 70.8 kcal
Com isso fez-se o balanço estequiométrico das reações e através das analises
elementares de C, H e S determinou-se os requisitos mínimos de oxigênio para a combustão
completa e os gases gerados. Considerou-se também que para cada O2 inserido para a queima,
são necessários 3,76N2, que seria o ar adicionado ao sistema composto de 79% de nitrogênio e
21% de oxigênio.
3.3.2 Gases gerados na combustão do resíduo de filtração
Para determinar os gases gerados pelo processo de combustão, inicialmente
determinou-se a massa de trabalho para os cálculos, que nada mais é que incorporar a
umidade presente no combustível conforme equação 11:
Equação 1138
Após determinada a massa de trabalho, é possível determinar o volume teórico de ar
para a combustão completa de um quilograma de resíduo. Para isso considerou-se que em um
quilograma de resíduo contém Ct/100 kg de carbono, S
t/100 kg de enxofre, H
t/100 kg de
hidrogênio de Ot/100 kg de oxigênio. Então para a combustão completa de um quilograma de
resíduo é necessário uma quantidade de oxigênio igual a soma de que necessitarão os
elementos que o compõe para a sua combustão, como no resíduo existe oxigênio próprio,
então houve a necessidade de subtrair esta quantidade e como o ar atmosférico é constituído
de 21% de O2 e 79% de N2 (base volumétrica), foi tomada a porcentagem de oxigênio no ar
para se calcular o volume do ar teoricamente necessário para a combustão de um quilograma
de biomassa, conforme equação 14:
49
Equação 14
[
]
Para determinar a quantidade teórica de ar em massa foi utilizada a equação 15:
Equação 15
Para calcular para uma temperatura diferente de zero, utilizou-se a equação 16
(equação da termodinâmica) que resultou na quantidade de ar teórico real, já que a caldeira
possui um pré-aquecedor entrando uma maior temperatura do ar na fornalha.
Equação 16
(
)
Como na prática é preciso fornecer um volume de ar um pouco maior que o volume
teoricamente necessário para se obter a combustão completa, o volume real de ar fornecido
para a combustão é determinado pela expressão:
Equação 17
A composição do ar para a combustão do resíduo de filtração é composta de O2 e N2,
sendo que para determinar a composição volumétrica de cada elemento no ar a ser inserido na
fornalha foi utilizado a equação 22 que nos fornece o valor de nitrogênio sendo 79% do ar
inserido na fornalha e para o oxigênio o valor é de 21%:
Equação 39
Os produtos da combustão contém: CO2, SO2, O2, N2 e H2O. Para determinar estes
compostos foram utilizadas as seguintes equações:
Equação 40
então:
Equação 25
Equação 31
Equação 33
Para determinar a massa de cada composto foi multiplicado o volume obtido pelo sua
respectiva densidade, exceto para o O2, que foram utilizadas equação 31:
Equação 34
Todos os parâmetros analíticos analisados e gerados do resíduo de filtração, foram
comparados com a biomassa de eucalipto, que é o combustível utilizado na caldeira da
50
empresa, com isso foi possível avaliar as características entre os dois combustíveis para
verificar sua compatibilidade, já que ambos seriam misturados na alimentação da caldeira.
3.4 Analise econômica preliminar
A analise econômica preliminar leva em conta o poder calorifico entre o combustível
utilizado pela empresa (biomassa de eucalipto) e o resíduo de filtração. Para isso foi
necessário dados da empresa a respeito de densidade da biomassa do eucalipto, quantidade de
combustível gasta mensalmente, valor do combustível por m³, gasto com disposição do
resíduo de filtração e a quantidade de resíduo gerada mensalmente.
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS
4.1 Resultados Obtidos
Os resultados obtidos para o resíduo de filtração celulósico através das análises nos
laboratórios da CIENTEC e UPF estão expressos na Tabela 5 e são comparados com a
biomassa de eucalipto (principal combustível que a empresa utiliza em suas caldeiras).
Tabela 5: Composição do eucalipto x Composição do resíduo de filtração
Composição do Combustível Biomassa
Eucalipto
Resíduo
Filtração
Umidade % 30,00 1,01
Cinzas % 0,72 0,90
Matérias Voláteis % 81,42 91,56
Carbono Fixo % 17,82 7,54
Enxofre Total % 0,01 0,02
Carbono % 49,00 65,68
Hidrogênio % 4,87 9,26
Nitrogênio % 0,30 0,03
Oxigênio + halogênios % 43,79 24,11
Poder Calorifico Superior kcal/kg 3.172 7.335
Poder Calorifico Inferior kcal/kg 2.747 6.860
Peso Especifico kg/m³ 315 1.068
Óleos e Graxas % - 51,45
51
O valor de 1,01% de umidade, conforme dado da Tabela 05, é um valor muito baixo,
que indica um aproveitamento quase que total da energia desprendida do resíduo de filtração,
interferindo muito pouco no poder calorifico inferior do combustível, diferentemente da
biomassa de eucalipto que possui uma umidade média de 30% (dado fornecido pela empresa)
onde necessita consumir parte de sua energia para desprender as moléculas de água. Esta
baixa umidade se deve a ser retirada ela do óleo antes de passar pelos filtros a teores abaixo
de 500 ppm.
O teor de umidade é um fator muito importante a ser observado, pois quanto menor for
este valor, menor será a quantidade de energia gasta no processo de carbonização do resíduo
de filtração e maior o poder calorífico do material. Um elevado teor em humidade pode
dificultar a ignição e reduzir a temperatura, dado que a vaporização da água é uma reação
endotérmica (necessita de bastante energia para volatilizar) fazendo com que o combustível
perca potencial térmico interferindo diretamente em seu poder calorifico.
Para o processo de combustão em caldeira, o indicador mais importante é o poder
calorifico, sendo o PCS de 7.335 kcal/kg e o PCI 6.860 kcal/kg do resíduo de filtração, neste
caso leva-se em consideração o PCI, pois a umidade presente no combustível irá volatilizar
gastando energia. O valor de PCI pra o resíduo é alto comparado à biomassa de eucalipto
(2747 kcal/kg) sendo 2,5 vezes maior e chegando a valores parecidos com combustíveis
líquidos, ANEXO I, isso se deve ao alto teor de óleos e graxas 51,45% e baixo teor de
umidade 1,01%.
Um elevado teor de óleos e graxas favorece a uma ignição do resíduo mais rápido,
fazendo que o resíduo seja carbonizado mais rapidamente, com isso a caldeira gera energia
térmica em menor tempo. Com a mistura do resíduo com biomassa de eucalipto irá favorecer
a geração de vapor pela caldeira, pois irá gerar a mesma energia térmica com um menor
volume de combustível.
O material volátil é a parte do combustível que se separa na forma de gases quando o
combustível é submetido à queima, fornecendo a percentagem do material que se queima no
estado gasoso. Os componentes voláteis, quando aquecidos, saem do material e se queimam
rapidamente na forma gasosa. O valor de 91,56% indica que o resíduo de filtração irá ser
queimado na sua maior parte no estado gasoso, necessitando de uma adição de ar secundário
maior na etapa de queima dos voláteis comparados a biomassa de eucalipto 81,42%.
O carbono fixo queima-se vagarosamente na fase sólida como carvão. O valor de
7,54% é um valor baixo, indicando que o tempo de residência na câmera de combustão será
menor comparado à biomassa de eucalipto 17,82% para que ocorra a queima completa do
52
combustível, necessitando um volume de ar primário menor. O Carbono fixo é a fração
residual do combustível sólido, descontados os teores de humidade, matéria volátil e cinzas,
desempenhando igualmente um papel crucial no processo de combustão.
Embora o enxofre seja também combustível, este traz consequências prejudiciais ao
meio ambiente e aos equipamentos. Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de
umidade formam ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. O H2SO4 é
o principal causador de "chuva ácida", com consequências desastrosas ao meio ambiente. O
valor de 0,02% é considerado baixo, assim como para a biomassa de eucalipto 0,01%.
Conforme CONAMA 436, derivados de madeira (celulose) não possuem limites de SO2
definidos, isso se deve a baixa concentração de enxofre nesses derivados.
O teor de cinzar irá indicar o quanto do combustível não se transformará em gases
gerando assim um resíduo do processo de combustão. O valor de 0,90% para o resíduo de
filtração como é considerado um valor baixo, assim como o de eucalipto 0,79%, indicando
que mais de 99% do combustível se transformará em material volátil. As cinzas irão gerar um
gasto para destinação ambientalmente adequada para a empresa, os baixos teores de cinzas
significam menores gastos para a indústria em seu processo produtivo.
Outro fator a ser levado em consideração para um combustível é a emissão de material
particulado originário das cinzas, devendo estar abaixo de 70 mg/m³ (LO da empresa) para
caldeira de 30 ton/h de vapor e 730 mg/m³ (CONAMA 436) para a caldeira de 12 ton/h de
vapor. Para controlar este fator as caldeiras da empresa possuem como tratamento
multiciclone e filtro de manga que reduzem a emissão de material particulado para valores
abaixo da legislação. Em monitoramento realizado em abril de 2012 os valores para a caldeira
de 12 ton/h a concentração de material particulado foi de 9,18 mg/m³ e 6,70 mg/m³ para a
caldeira de 30 ton/h, atendendo a legislação vigente.
A composição de carbono e hidrogênio, respectivamente de 65,68% e 9,26% sendo
maiores que a biomassa de eucalipto 49% e 4,87%, caracteriza um resultado benéfico devido
ao momento em que o carbono e hidrogênio se desprendem do material sólido irão gerar
energia assim quanto maior o teor destes componentes em um combustível maior a energia
liberada na sua queima. Devido a estes valores que o poder calorifico do resíduo de filtração é
maior que a biomassa de eucalipto.
Para realização deste trabalho foi considerado a combustão completa, sem a formação
de monóxido de carbono, porem a CONAMA 436 estabelece valor máximo de CO para a
caldeira de 30 ton/h de 3250 mg/m³ e o resultado obtido em analise correspondeu a 165
53
mg/m³ atendendo a legislação vigente e demostrando que a combustão pode ser considerada
completa para efeitos de cálculos.
O resíduo de filtração possui um valor de oxigênio de 24,11%, este menor que o da
biomassa de eucalipto 43,79%, necessitando um volume de ar maior a ser inserido na caldeira
para a combustão completa do resíduo de filtração.
O peso específico é definido como a massa contida em uma unidade de volume. A
biomassa de eucalipto apresenta 315 kg/m³ (dado fornecido pela empresa), já o resíduo de
filtração o valor é de 1068 kg/m³, sendo mais de três vezes maiores. Então para cada m³ de
resíduos queimados são equivalentes a 3,38 vezes de biomassa de eucalipto. O resíduo por
apresentar maior peso especifica necessitará de menor espaço para o seu armazenamento.
4.2 Combustão Completa do Resíduo de Filtração
A composição química elementar para um quilograma de resíduo de filtração e
biomassa de eucalipto é apresentada na tabela 6 e com o valor de umidade chegou-se na
massa de trabalho para cada composto.
Tabela 6: Determinação da massa de trabalho
Massa Seca (%) Massa de Trabalho (%)
Elemento Biomassa Eucalipto
Resíduo Filtração
Elemento Biomassa Eucalipto
Resíduo Filtração
C 49,00 65,68 Ct 34,30 65,02
H 4,87 9,26 Ht 3,41 9,17
O 43,79 24,11 Ot 30,65 23,87
N 0,30 0,03 Nt 0,21 0,03
S 0,01 0,02 St 0,01 0,02
A 0,72 0,9 At 0,50 0,89
∑ 100 100 Wt 30,00 1,01
∑ 100 100
A massa de trabalho serve para identificar a composição real do combustível
acrescentando a umidade. Assim é possível observar que a maior parte de cada quilograma de
resíduo a ser introduzido na caldeira é composta por elementos que liberam energia durante a
combustão C e H, uma parte muito pequena de umidade será simplesmente eliminada pela
chaminé, requerendo baixo consumo de energia para sua evaporação. Na biomassa de
eucalipto o maior teor de umidade faz com que os teores de C e H se reduzam, diminuindo o
seu potencial de geração de energia.
54
As principais reações químicas da combustão da massa de um quilograma de resíduo
de filtração, com a apresentação dos cálculos estequiométricos, são demostrado na Tabela 07:
Tabela 7: Reações químicas da combustão completa do resíduo de filtração
COMBUSTÃO DO CARBONO
C + O2 + 3,76 N2 CO2 + 3,76 N2 + Energia
Massa Molar (kg/kmol) 12
32
28
44
28
Massa (kg) 0,657 1,75 5,77 2,41 5,77
COMBUSTÃO DO HIDROGÊNIO
H2 + 1/2O2 + 3,76 N2 H2O + 3,76 N2 + Energia
Massa Molar (kg/kmol) 4
32
28
36
28
Massa (kg) 0,09 0,37 1,22 0,83 1,22
COMBUSTÃO DO ENXOFRE
S + O2 + 3,76 N2 SO2 + 3,76 N2 + Energia
Massa Molar (kg/kmol) 32
32
28
64
28
Massa (kg) 0,0002 0,0002 0,0007 0,0004 0,0007
Foi considerado para realização dos cálculos, que todo o carbono disponível reage com
o oxigênio do ar formando exclusivamente dióxido de carbono, ou seja, considerou-se a
combustão completa do resíduo de filtração sem formação de monóxido de carbono junto aos
produtos da combustão. Esta metodologia foi adotada, pois no caso da combustão incompleta
não é possível prever quanto de carbono presente no combustível irá formar monóxido de
carbono ou dióxido de carbono. Neste estudo esta consideração é aceitável tendo em vista que
o volume total dos produtos da combustão do resíduo de filtração permanece inalterado.
Compreender as reações químicas formadas na combustão faz-se necessário para a
determinação dos componentes dos produtos da combustão. Neste trabalho conforme
demonstrado na tabela 06 o enxofre pode ser considerado desprezível devido a estar em uma
quantidade muito pequena no resíduo 0,02%. O teor de carbono de 0,657 kg gera 2,41 kg de
CO2 e 0,09 kg de H gera 0,83 kg de H2O.
O nitrogênio aparece nas relações estequiométricas devido ao ar ser composto em
massa de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio assim para cada O2 adicionados ao processo
de combustão são necessários 3,76 de N2.
4.3 Requisito de Ar para a Combustão Completa do Resíduo de Filtração
A tabela 8 demostra o volume e massa de ar teórico necessário para a combustão
completa de um quilograma de combustível:
55
Tabela 8: Ar teórico necessário para combustão de um quilograma de combustível
Resíduo
de
Filtração
Biomassa
de
Eucalipto
Unidade
Tar 130 130 °C
7,44 2,94 m³ de ar / kg de combustível
10,98 4,34 m³ de ar / kg de combustível
9,63 3,81 kg de ar / kg de combustível
Considerando as reações químicas da combustão, a composição química e o teor de
umidade do resíduo de filtração com a temperatura do ar de combustão em 130°C
(temperatura do ar encontrado na entrada de ar primário após o pré-aquecedor de ar da
caldeira da empresa) e comparando-o com a biomassa de eucalipto, mostra que para a
combustão completa de um quilograma de resíduo são necessários 9,63 kg de ar e que o
volume de ar necessário à temperatura de 0ºC seria de 7,44 m³ porem como a temperatura é
maior necessita de um volume de 10,98 m³ de ar. Já para a biomassa de eucalipto que
atualmente é usado no gerador de vapor, os requisitos de ar são menores, devido ao excesso
de umidade presente no combustível.
Para ocorrer à combustão completa e eficiente do combustível é necessário fornecer a
câmera de combustão uma quantidade de ar maior que a teoricamente necessária. Segundo
dados do fabricante a caldeira a cavaco foi dimensionada com o valor de até 45% de excesso
de ar. Por isto foi utilizado o valor máximo como coeficiente indicando o maior requisito de
O2 gerando maior a concentração de gás da combustão. Na Tabela 9 demonstra o ar real para
a combustão completa.
Tabela 9: Ar real para combustão de um quilograma de combustível
Resíduo de
Filtração
Biomassa de
Eucalipto Unidade
α 1,45 1,45 Excesso de ar (%) 45
15,92 6,30 m³ de ar / kg de combustível
13,96 5,52 kg de ar / kg de combustível
A partir do conhecimento do ar teórico e do coeficiente de excesso de ar, determinou-
se que a massa real necessária para a combustão de um quilograma de resíduo de filtração é
de 13,96 kg de ar ou 15,92 m³ de ar a 130°C. Para a biomassa de eucalipto os valores são
menores, pois como demostrado na tabela 08, o volume de ar é menor.
Para a combustão de um combustível na caldeira é adicionado o ar em excesso para
garantir a completa combustão dos elementos presentes. Para isso é adicionado através
56
ventiladores ar primário e secundário a câmera de combustão e são somados ao O2 presente na
composição do combustível. A tabela 10 mostra os valores de ar que deverão ser inseridos na
fornalha para a completa queima do combustível.
Tabela 10: Composição do ar da combustão de um quilograma de combustível
Elemento
Resíduo de
Filtração
Biomassa de
Eucalipto
m³/kg kg/kg m³/kg kg/kg
N2 12,58 10,75 4,97 4,25
O2 3,34 3,21 1,32 1,27
Ar 15,92 13,96 6,30 5,52
A composição do ar para combustão de um quilograma de resíduo de filtração,
conforme demonstrado na tabela 10, leva em consideração que o ar é constituído de 79% de
nitrogênio e 21% de oxigênio, necessitando o resíduo de filtração um valor de 15,92 m³ de ar
para cada quilograma de resíduo. A biomassa de eucalipto necessita de menor valor de ar 6,30
m³/kg, por possuir maior teor de O2 em sua composição e maior teor de umidade também.
4.4 Gases gerados na Combustão de um quilograma de Resíduo de Filtração
A composição volumétrica e mássica dos produtos da combustão são apresentadas na
Tabela 11:
Tabela 11: Componentes dos produtos da combustão de um quilograma de combustível
Produtos
da
Combustão
Biomassa de Eucalipto Resíduo de Filtração
m³ de gás/kg % kg de gás/kg % m³ de
gás/kg % kg de gás/kg %
CO2 0,64 9,31 1,27 19,42 1,21 7,53 2,40 16,01
SO2 0,00005 0,00 0,0001 0,00 0,00014 0,00 0,0004 0,00
N2 4,98 72,35 4,25 65,22 12,58 78,06 10,75 71,76
O2 0,41 5,97 0,39 6,05 1,04 6,44 1,00 6,65
GASseco 6,03 87,62 5,91 90,69 14,83 92,03 14,14 94,42
H2O 0,85 12,38 0,61 9,31 1,28 7,97 0,84 5,58
∑ 6,88 100 6,52 100 16,12 100 14,98 100
Através da análise dos dados pode-se observar que cerca de 78% do volume dos
produtos da combustão de um quilograma de resíduo de filtração é composto de nitrogênio e
72% para a biomassa de eucalipto, isso se deve ao fato de que aproximadamente 79% do
volume de todo o ar destinado a combustão é composto por este elemento.
Através de alterações nas variáveis foi possível constatar que o teor de umidade (Wt) e
o excesso de ar (α) interferem diretamente na composição e quantificação dos produtos da
57
combustão, de forma que: Quanto maior for o teor de umidade da biomassa, menor será a
quantidade total de gases de escape, pois quanto menor o percentual de massa seca menor
também será a quantidade de ar exigida para a combustão do combustível. Quanto maior for o
teor de umidade maior será o percentual de gases úmidos nos produtos da combustão. Quanto
maior for o excesso de ar, maior será a quantidade de gases de escape, pois somente o ar
estequiométrico participa das reações da combustão do carbono, hidrogênio e enxofre. Todo o
ar em excesso é eliminado pela chaminé basicamente na forma de oxigênio e nitrogênio
(bases da formação do ar atmosférico)
A quantidade de ar e a composição os produtos da combustão foram calculados na
base volumétrica e mássica, mas somente para efeito ilustrativo, tendo em vista que o volume
do ar e dos gases depende da temperatura em que se encontram estes fluidos, fato que
dificultam a realização dos cálculos termodinâmicos, as figuras 12 e 13 demonstram os gases
gerados na combustão completa do resíduo de filtração e da biomassa de eucalipto.
Figura 12: Composição volumétrica dos gases da combustão do resíduo de filtração (%)
7,53 0,00
78,06
6,44 7,97
CO2 SO2 N2 O2 H2O
58
Figura 13: Composição volumétrica dos gases da combustão da biomassa de eucalipto (%)
4.5 Avaliação econômica preliminar
Para realizar a avaliação econômica preliminar a empresa disponibilizou a quantidade
de resíduo de filtração gerada para o ano de 2013 e o primeiro quadrimestre de 2014 sendo no
total 653.310 quilogramas de resíduo geradas. O gasto para uma destinação ambientalmente
adequada (compostagem) é de R$ 95 a tonelada, sendo que no ano de 2013 era de R$ 75 a
tonelada. A caldeira consome em média 28000 m³ de biomassa de eucalipto por mês a um
custo de R$ 45 ao m³ e a densidade é de 315 kg/m³. Os cálculos para a avaliação econômica
preliminar estão expressos na tabela 12.
Tabela 12: Avaliação econômica preliminar
Resíduo Gerado
(kg)
Custo de destinação
(R$)
Biomassa de Eucalipto
Necessária (kg)
Biomassa de Eucalipto
Necessária (m³)
Total (R$)
%
2013 410.930 30.819 1.026.203 3257,8 177.419,44 1,17
Janeiro 2014
54.420 5.170 135.901 431,4 24.584,39 1,95
Fevereiro 2014
47.560 4.518 118.770 377,0 21.485,36 1,71
Março 2014
57.920 5.502 144.642 459,2 26.165,52 2,08
Abril 2014 82.480 7.836 205.975 653,9 37.260,57 2,96
Total 653.310 53.845 1.631.491 5179,3 286.915,29 1,97
9,31 0,00
72,35
5,97
12,38
CO2 SO2 N2 O2 H2O
59
Para realização dos cálculos utilizou-se o poder calorifico inferior do resíduo de
filtração (6860 kcal/kg) e da biomassa de eucalipto (2747 kcal/kg). Possuindo o resíduo de
filtração um valor energético 2,5 vezes maior que a biomassa de eucalipto. Com isso chegou-
se ao valor de que para queimar 653.310 kg de resíduo durante o período seriam necessários
1.631.491 kg de biomassa de eucalipto ou 5179 m³.
Somados os custos de destinação R$ 53.845 ao custo da biomassa de eucalipto
R$233.070,19 chegou-se ao valor de R$ 286.915,29, este seria o valor que a empresa deixaria
de gastar caso tivesse incorporado a sua matriz energética o resíduo de filtração no inicio de
2013, correspondendo a 1,97 % do gasto total que a empresa tem com biomassa de eucalipto.
4.6 Impactos da carbonização do resíduo de filtração celulósico
4.6.1 Negativos
O resíduo de filtração atualmente é destinado a compostagem e produz um composto
que, por ser muito rico em nutrientes, pode ser utilizado na agricultura, melhorando o
desenvolvimento de plantas e jardins. O composto orgânico atua no solo como uma esponja,
ajudando-o a reter a umidade e os nutrientes, melhorando assim as suas características e
reduzindo o uso de fertilizantes químicos. Os solos ricos em composto são menos afetados
pela erosão. Sendo assim o resíduo de filtração já possui uma destinação ambientalmente
adequada.
4.6.2 Positivos
A combustão completa do resíduo de filtração celulósico permite que se estabeleça um
ciclo fechado de carbono no qual o CO2 é absorvido quando a planta cresce e é liberado
quando é queimado na combustão, não alterando a concentração de CO2 na atmosfera.
O resíduo de filtração é um composto com baixo teor de enxofre, formador do acido
sulfúrico, principal causador da chuva acida.
Segundo (FOELKEL 2014) bons plantios de eucalipto dariam entre 280 m³ a 350 m³
de toras com cascas aos 7 anos por hectare de eucalipto plantado e para a conversão de um
metro cúbico sólido de madeira resulta em cerca de 3 metros cúbicos de cavacos. Sendo assim
poderiam ter sidos destinados a outras finalidades cerca de 16,5 hectares, podendo ser
destinados a mata nativa ou ao plantio de outra cultura.
60
Redução de custos com aquisição de biomassa de eucalipto de aproximadamente R$
17932,00 mensais para empresa, o que deixaria a indústria com maior competitividade no
mercado, pois o combustível gasto em uma caldeira tem um impacto grande no custo de
fabricação de qualquer produto e o que se economizar neste setor torna-se lucro para a
empresa.
O resíduo de filtração passando a ser combustível na caldeira estaria adotando uma
estratégia de Produção mais limpa, pois deixaria de ser um resíduo do processo produtivo e
passaria a ser incorporado como um combustível para a caldeira.
61
5 CONCLUSÃO
O potencial energético do resíduo de filtração celulósico é maior do que o da biomassa
de eucalipto, sendo que os valores apresentados para PCI do resíduo de filtração celulósico
foram 6860 kcal/kg, enquanto que, para a biomassa de eucalipto o PCI é de 2747 kcal/kg.
O resíduo de filtração celulósico e a biomassa de eucalipto apresentaram valores
médios de teor de umidade muito diferentes, 1,01% e 30%, respectivamente. Apresentando
diferenças significativas, sendo o principal determinante na diferença de valor energético, já
que um maior teor de umidade necessita de maior energia para desprender as moléculas de
água.
Para os valores de voláteis, carbono fixo e cinzas o resíduo de filtração celulósico
apresentou valores de 91,56%, 7,54% e 0,9% respectivamente e a biomassa de eucalipto
possui valores de 81,42%, 17,20% e 0,72%. Isso demonstra que o resíduo de filtração
celulósico gera uma rápida liberação dos voláteis e queimará em um menor tempo
comparados a biomassa de eucalipto, porém gerará uma quantidade de cinzas um pouco
maior, não sendo significativo este aumento.
Quanto aos gases gerados no processo de combustão, tanto para o resíduo de filtração
celulósico quanto para a biomassa de eucalipto, obteve-se valores de teor de enxofre baixos
0,02% e 0,01% podendo ser considerados desprezíveis, tornando o resíduo de filtração
celulósico
Conclui-se, portanto, que o resíduo de filtração possui características de
combustibilidade melhores comparadas a biomassa de eucalipto apresentando maior teor de
voláteis, menor teor de carbono fixo, concentração de cinzas semelhante, quando comparado
com a biomassa de eucalipto, porem o maior diferencial está no valor energético do resido de
filtração celulósico sendo 2,5 vezes maior que a biomassa de eucalipto sendo o teor de
umidade a principal característica de diferença energética entre os combustíveis.
Outro fator importante a ser considerado foi à avaliação econômica preliminar já que
as empresas estão cada vez mais com as margens de lucro espremidas e a queima do resíduo
de filtração celulósico representaria 1,97% do total que a empresa economizaria com os
custos de combustível, gerando uma economia de R$ 17932,00 mensais, dando maior
competitividade para a empresa incorporando seu próprio resíduo na matriz energética.
62
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA
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– 10007. 2004. Disponível em: < http://patriciamirotti.files.wordpress.com/2012/04/nbr-
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exploração do Pré-Sal, janeiro - fevereiro de 2010. 30p.
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Curso (Engenharia Ambiental) – Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, RS. 2009.
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Energy Sources, 2005.
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6 ANEXO I
