Curso de Carvao

CARBONIZAO

Produo de Carvo VegetalDo Curso: Trata-se de um curso intensivo planejado para a atualizao e reciclagem de conhecimentos de profissionais de nvel superior envolvendo o que h de mais atual na rea de produo de carvo vegetal. Objetivos: Fornecer subsdios tcnicos e cientficos sobre o processo de carbonizao da madeira, os equipamentos de carbonizao, os impactos ambientais de carvoejamento, as emisses poluentes da carbonizao e seu controle e, ainda, amostragem e controle de qualidade de carvo vegetal; Capacitar e atualizar o tcnico para tomadas de deciso no que se refere avaliao, modificao ou adoo de tecnologias de produo de carvo vegetal e normas de controle de qualidade; Capacitar e habilitar profissionais ligados produo de carvo vegetal, capacitando-os a transferir os conhecimentos para outros tcnicos de nvel superior ou mdio. Pblico Alvo: Destina-se a tcnicos de nvel mdio e superior atuando no setor florestal ou em segmentos industriais Durao do curso: O curso ministrado intensivamente em 40 horas totais (1 semana) divididas em 25 horas horas de aulas tericas e 15 horas de aulas prticas de laboratrio, incluindo tpicos que vo desde a produo de carvo vegetal at a avaliao e controle de qualidade do produto final Coordenao do Curso: Alexandre Santos Pimenta Professor Adjunto II Ps-doutorado em Tecnologia de Produtos Florestais Organizao e Apoio: Universidade Federal de Viosa UFV Departamento de Engenharia Florestal DEF Laboratrio de Painis e Energia da Madeira Sociedade de Investigaes Florestais Redao da apostila: Alexandre Santos Pimenta Daniel Camara Barcellos Elisabeth de Oliveira Editorao e arte: Daniel Camara Barcellos. Reviso de Texto: Endereo para Correspondncia: Campus da Universidade Federal de Viosa Departamento de Engenharia Florestal s/n Viosa - MG CEP: 36571-000 Telefones: Departamento de Engenharia Florestal: 3899-2466 Laboratrio de Painis e Energia da Madeira: 3899-2719 o Sala do Prof Alexandre Santos Pimenta: 3899-1200 e-mails: o Prof Alexandre Santos Pimenta: [email protected] Daniel Camara Barcellos: [email protected]________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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ndice11.1 -

Introduo.............................................................................................1Setores Industriais Consumidores de Carvo Vegetal ........................2

22.1 -

Teoria da Carbonizao ......................................................................5Parmetros da Matria-Prima para Produo de Carvo ....................5Densidade Bsica da Madeira .................................................................................. 6 Teor de Umidade........................................................................................................ 8 Tamanho das Peas ................................................................................................ 10 2.1.1 2.1.2 2.1.3 -

2.2 2.3 -

Composio Qumica da Madeira ........................................................10 O Processo de Carbonizao da Madeira ...........................................13Carbonizao da Celulose ...................................................................................... 13 Carbonizao das Hemiceluloses ......................................................................... 14 Carbonizao da Lignina ........................................................................................ 15

2.3.1 2.3.2 2.3.3 -

2.4 -

Fsico-Qumica da Carbonizao .........................................................15

33.1 -

A Produo de Carvo de Vegetal ...................................................18Parmetros de Produo ......................................................................18Temperatura Mxima Mdia ................................................................................... 18 Taxa de Aquecimento.............................................................................................. 23 Presso do Forno Durante o Processo................................................................. 24 3.1.1 3.1.2 3.1.3 -

3.2 -

Fornos de Carbonizao .......................................................................26

3.2.1 - Forno Rabo Quente ................................................................................................. 28 3.2.2 - Forno de Encosta..................................................................................................... 29 3.2.3 - Forno de Superfcie ................................................................................................. 30 3.2.4 - Forno de Superfcie com Cmara Externa............................................................ 32 3.2.5 - Fornos Metlicos ..................................................................................................... 33 3.2.6 - Processos Industriais ............................................................................................. 33 3.2.6.1 - Processo Reichert-Lurg ................................................................................. 33 3.2.6.2 - Processo Sific-Lambiotte................................................................................ 34 3.2.6.3 - Processo IPT..................................................................................................... 36 3.2.7 - Forno Container ................................................................................................... 36 3.2.8 - Outros Fornos .......................................................................................................... 40

44.1 4.2 -

Propriedades do Carvo Vegetal .....................................................41Rendimento Gravimtrico .....................................................................41 Propriedades Qumicas .........................................................................41Carbono Fixo ............................................................................................................ 42 Cinzas........................................................................................................................ 42 Materiais Volteis..................................................................................................... 43

4.2.1 4.2.2 4.2.3 -

4.3 -

Propriedades Fsicas .............................................................................44

4.3.1 - Densidade ................................................................................................................. 44 4.3.1.1 - Densidade do granel........................................................................................ 45 4.3.1.2 - Densidade Aparente ........................................................................................ 45 4.3.1.3 - Densidade Verdadeira ..................................................................................... 46 4.3.1.4 - Porosidade........................................................................................................ 46 4.3.2 - Resistncia Mecnica.............................................................................................. 47 4.3.3 - Friabilidade ............................................................................................................... 48 4.3.4 - Umidade ou Higroscopicidade............................................................................... 50 4.3.5 - Granulometria Mdia ............................................................................................... 51________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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4.4 4.5 -

Reatividade .............................................................................................51 Poder calorfico ......................................................................................52

55.1 5.2 -

O Carvo Vegetal na Siderurgia e Metalurgia.................................56O Alto-Forno ...........................................................................................57 Qualidade do Carvo Vegetal para Outros Fins .................................62

6-

Impactos Ambientais do Carvoejamento ........................................63

6.1 - Principais Grupos Qumicos Poluentes Presentes na Fumaa ........65 6.2 - Avaliao da Toxicidade Aguda e Mutagenicidade............................69 6.3 - Avaliao da Toxicidade Aguda ...........................................................76 6.4 - Avaliao da Mutagenicidade...............................................................77 6.5 - Estimativa da Quantidade de Poluentes Emitidos na carbonizao de Eucalipto........................................................................................................796.5.1 Comparao Entre Carvo Vegetal e Carvo Mineral ......................................... 82 Incineradores............................................................................................................ 83 Reciclagem de Gases e Recuperao do Alcatro.............................................. 84 Separao dos Ps e Partculas ............................................................................ 85

6.6 -

Medidas de Controle da Poluio ........................................................83

6.6.1 6.6.2 6.6.3 -

7-

Bibliografia..........................................................................................86

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1-

Introduo

At a segunda guerra mundial, o carvo era o combustvel mais utilizado no mundo. A descoberta dos combustveis derivados do petrleo, que permitiu o desenvolvimento dos motores a exploso e abriu maiores perspectivas de velocidade e potncia, e o surgimento da energia nuclear, relegaram o carvo a condio de fonte subsidiria de energia. No entanto, a disponibilidade de grandes jazidas de carvo mineral e o baixo custo do carvo vegetal ainda conferem a esse combustvel um papel relevante (BARSA, 1998). O grfico 1 mostra o quo dependente o Brasil em termos energticos da utilizao de carvo mineral como fonte energtica. Este argumento j seria suficiente para maiores incentivos para aumento da utilizao do carvo vegetal. No petrleo o governo tem se esforado em reduzir a dependncia externa, visando at mesmo a auto-suficincia. Grfico 1 Dependncia Externa de Energia em % de 1978 at 1999 em funo do tipo de fonte energtica. (Balano Energtico Nacional, 2000)

De acordo com o Balano Energtico Nacional (2000) o carvo vegetal vinha tendo um decrscimo contnuo no seu consumo (8,6 milhes de tonelada em 1994 para 6,7 milhes de tonelada em 1998). A partir de 1999 o setor parece estar se revitalizando com________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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um suave aumento de 0,2 milhes de toneladas, porm parece que essa condio de aumento tender a continuar. A explicao mais provvel para isso a desvalorizao da moeda, tornando o preo do carvo vegetal mais interessante do que o do coque mineral, produto concorrente como fonte energtica e redutor qumico do minrio de ferro durante a sua produo nos altos fornos do setor siderrgico. A siderurgia responsvel pelo consumo de 85% do carvo vegetal, enquanto que os outros 15% so consumidos nas residncias. Considerando o grande consumo siderrgico, a qualidade do carvo se torna importante para agregar valor ao produto final (ferro-gusa). O que torna o setor siderrgico grande consumidor de carvo, movimentando este setor da economia. Balano Energtico Nacional (2000) Ambientalmente o carvo vegetal leva grande vantagem em relao ao carvo mineral uma vez que proveniente de uma fonte renovvel. Porm os atuais processos de carbonizao no so isentos de poluio. Entretanto, novas tecnologias do processo de carbonizao prometem aumentar ainda mais esta vantagem ambiental que o carvo vegetal possui em relao ao coque mineral.

1.1 - Setores Industriais Consumidores de Carvo VegetalNo ano de 1981, a produo de ao em nvel mundial foi de 700 milhes de toneladas. Na Amrica Latina foram produzidos 27 milhes, sendo que somente Brasil, Mxico e Argentina foram responsveis por mais de 70% dessa produo. No caso do Brasil, a produo de ao apresentou grande crescimento durante o sculo XX. Essas elevadas taxas de crescimento foram marcadas por quatro grandes perodos: Perodo I: de 1924 a 1946 - a produo evolui de 4,5 mil toneladas de ao para 324 mil toneladas, sendo a Companhia Siderrgica Belgo-Mineira a principal responsvel pela evoluo da produo no perodo. A taxa mdia de crescimento de 22% a.a. A produo baseada principalmente no uso de insumos nacionais, como o carvo vegetal. Perodo II: de 1946 a 1960 - incio da operao da Companhia Siderrgica Nacional. Aqui se d o incio da produo de laminados planos e do uso de insumos energticos importados, principalmente carvo mineral.


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Perodo III: de 1960 a 1964 - duas empresas iniciam a produo de ao, a USIMINAS e a COSIPA. A produo evolui de 1,9 milhes para 3,0 milhes, com taxa anual de crescimento de 12%.

Perodo IV: de 1964 a 1980 - a produo evolui de 3 milhes de toneladas para 15,4, com taxa de crescimento anual de 8,5%.

Sob o aspecto geogrfico, 91% da produo de ao bruto se concentram em trs estados: Minas Gerais (35%), So Paulo (32%) e Rio de Janeiro (24%). No que se refere produo de gusa, observa-se que somente em Minas Gerais, concentra-se mais de 55% da produo nacional. O setor siderrgico pode ser dividido em quatro grandes blocos: Usinas integradas a coque: essas usinas produzem mais de 55% do ao bruto brasileiro. So empresas de grande porte, com capacidade de produo de 3,5 milhes de toneladas/ano/empresa. O perfil bsico a coqueria altos fornos de grande porte. Usinas integradas a carvo vegetal ou reduo direta: produzem ao e tubos de ferro fundido. Usinas no integradas: so responsveis por cerca de 16% da produo nacional. O perfil de produo basicamente o forno eltrico ou o sistema Siemens Martins - Laminao. Utilizam como matria-prima sucata. Usinas para a produo de gusa (produtores independentes): um setor cujo produto exclusivamente o ferro-gusa, destinado aciaria e fundies. O carvo vegetal um importante insumo para diversos segmentos industriais, tais como os produtores de ferro-gusa, ferro-ligas, ao, silcio metlico, cimento, carbureto de clcio, e tambm para uso domstico. Segundo dados da ABRACAVE, em 1996 esses setores consumiram 6,5 milhes de toneladas de carvo vegetal, das quais 75% se originaram de reflorestamento. Em funo das caractersticas de cada um desses setores, a produo de carvo vegetal pode ser dividida em 2 cenrios: Grandes produes: Empresas como Mannesmann, Acesita, Gerdau e Belgo-Mineira, todas produtoras de ao, tm consumos individuais da ordem de 70-300 mil t/ano de carvo vegetal. Para garantir o auto-suprimento, essas empresas possuem extensas florestas prprias. Suas carvoarias, geralmente com capacidade superior a 5 mil t/ano, so planejadas como________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

estruturas de longa vida til. A mecanizao das tarefas crescente, com o 3

uso de mquinas e fornos retangulares para 70 a 180 st de madeira por corrida. Pequenas produes: Praticadas em florestas de terceiros ou pequenas reas prprias, tem carter itinerante. O abastecimento dos produtores de ferro-gusa e ferro-ligas se d dessa forma. As carvoarias, geralmente com capacidades inferiores a 5 mil t/ano, so planejadas para 2 a 4 anos de vida til, e o investimento em mquinas e fornos mnimo. Predominam os pequenos fornos de alvenaria do tipo rabo-quente ou encosta, com capacidade de 12 a 20 st de lenha por corrida.


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2-

Teoria da Carbonizao

Carvo um material slido, poroso, de fcil combusto e capaz de gerar grandes quantidades de calor. Pode ser produzido por processo artificial, pela queima de madeira, como o carvo vegetal; ou originar-se de um longo processo natural, denominado carbonizao, pelo quais substncias orgnicas, principalmente vegetais, so submetidas ao da temperatura terrestre durante cerca de 300 milhes de anos e transformam-se em carvo mineral. Em funo da natureza desses processos, o carvo vegetal tambm chamado de artificial, e o carvo mineral, de natural (BARSA,1998). A carbonizao um processo conhecido h pelo menos 10.000 anos, porm este processo evoluiu muito pouco durante todo este tempo. A carbonizao pode ser definida como o processo cujo objetivo aumentar o teor de carbono fixo na madeira por meio de tratamento trmico. Para que isso acontea, necessria a ocorrncia de vrios processos, tanto fsicos como qumicos. Alguns autores relatam que o processo de carbonizao pode ser entendido ao se estudar o comportamento dos trs principais componentes da madeira: a celulose, as hemiceluloses e a lignina. Compreendendo o comportamento desses componentes, possvel compreender como se realiza a carbonizao. Durante o processo de carbonizao da madeira, o carvo apenas uma frao dos produtos que podem ser obtidos. Caso sejam utilizados sistemas apropriados para a coleta, tambm podem ser aproveitados os condensados pirolenhosos (lquido pirolenhoso) e os gases no-condensveis. A prtica mais completa e eficiente, quando, alm do carvo vegetal (resduo) so aproveitados os condensados e os gases no-condensveis da madeira, denomina-se denomina-se destilao seca, podendo ser implantada a partir da utilizao de retortas ao invs dos fornos convencionais.

2.1 - Parmetros da Matria-Prima para Produo de CarvoSendo a madeira a matria-prima para a produo de carvo, precisamos conhec-la em mais detalhes, para entendermos mais claramente o processo de produo de carvo. A qualidade do produto madeira varia naturalmente entre: 1 - Entre espcies________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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2 - Entre rvores de uma mesma espcie 3 - Dentro de uma mesma rvore 4 - Idade da rvore Logo o produto carvo gerado sofrer variao conforme a sua matria prima. A utilizao da madeira como fonte de redutor de minrio de ferro, oferece certos atrativos tecnolgicos conforme JUVILLAR (1982): 1. So isentos de S (enxofre) e isso vantajoso na metalurgia e ecologia. 2. O carbono produzido em florestas no interfere no equilbrio da Terra. As florestas consomem CO2, mas tambm o desprendem ao queimar-se ou degradar-se. Alm do mais as florestas desprendem O2. Os combustveis fsseis produzem CO2 ao queimar, mas consomem O2 em vez de produz-lo. 3. O carbono produzido nas florestas perpetuamente renovvel, enquanto exista vida no planeta terra. 4. As florestas geram carbono e o armazenam ao mesmo tempo, de modo que no necessrio dispor de depsitos adicionais para o produto como acontece na maior parte dos processos de fabricao de outros combustveis. 5. Como desvantagens das florestas como fonte de energia pode-se citar a necessidade de grandes quantidades de terra e gua, o que obriga a vencer grandes obstculos no tcnicos (polticos, administrativos, etc.) O Brasil um pas privilegiado neste contexto, pois possui grande extenso territorial e intensa insolao. Os parmetros mais importantes da madeira para produo de carvo so a densidade, a umidade, o tamanho das peas, e a composio qumica que discutiremos em mais detalhes.

2.1.1 -

Densidade Bsica da MadeiraA partir do conceito fsico mais elementar, podemos conceituar a densidade

como quantidade de massa, expressa em peso, contida na unidade de volume. Em se tratando de madeira, a densidade pode ser absoluta, expressa em g/cm3 ou Kg/m3, ou relativa, quando comparada com a densidade absoluta da gua destilada, insenta de ar, temperatura de 3,98oC, com densidade de 1,0 g/cm3 . Nos sistemas CGS e SI, o nmero________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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que exprime a densidade absoluta coincide com o nmero admensional que exprime a densidade relativa (VITAL, 1984).

QUADRO 1- Classificao da densidade da madeira de acordo com o FOREST PRODUCTS LABORATORY (1974). Intervalos de densidade (g/cm3) - a 0,20 0,20 a 0,25 0,25 a 0,30 0,30 a 0,36 0,36 a 0,42 0,42 a 0,50 0,50 a 0,60 0,60 a 0,72 0,72 a 0,86 0,86 em diante Tipo de madeira extremamente leve excessivamente leve muito leve leve moderadamente leve moderadamente pesada pesada muito pesada excessivamente pesada extremamente pesada

A madeira um material poroso e o valor numrico da densidade depende da incluso ou no do volume de poros. Se a determinao do volume incluir o volume dos poros, obter-se-, a densidade aparente; se a determinao do volume no incluir o volume dos poros, obtm-se a densidade real ou verdadeira, o que corresponde densidade da parede celular, cujo valor igual a 1,53 g/cm3, independente da espcie. A densidade bsica aquela que considera a madeira como massa real completamente seca e o volume verde ou completamente saturado de gua; a densidade bsica , pois sempre aparente, podendo ser absoluta ou relativa (PANSHIN & ZEEW, 1982). A densidade da madeira um dos ndices mais importantes a ser considerado dentre as diversas propriedades fsicas da madeira, pois alm de afetar as demais propriedades interfere de forma significativa na qualidade de seus derivados (BRASIL e FERREIRA, 1971). A densidade da madeira, bem como as demais propriedades, varia de uma espcie para outra, dentro da mesma espcie e na direo radial e axial de uma mesma rvore. As variaes da densidade so resultantes das diferentes espessuras da parede celular, das dimenses das clulas, das inter-relaes entre esses dois fatores e da quantidade de componentes extratveis presentes por unidade de volume (PANSHIN e De ZEEUW, 1980). As variaes da densidade ao longo do tronco so menos consistentes do que aquelas na direo radial. A proporo de madeira juvenil na direo longitudinal do caule tende a aumentar. Como resultado imediato densidade diminui, o que freqentemente________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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ocorre em muitas espcies, especialmente em conferas, em virtude de a formao da madeira juvenil, ser mais acentuada nas conferas que nas folhosas. No Eucalyptus grandis, contudo, comumente a densidade aumenta com a altura, embora um declnio inicial possa estar presente (MALAN, 1995). A densidade, porm no deve ser considerada como um ndice isolado de qualidade da madeira. A composio qumica e as caractersticas anatmicas so fatores que devem ser tambm considerados (WENZL, 1970; BRASIL et. al., 1977). Na produo de carvo vegetal, a densidade deve ser encarada sob vrios aspectos, sendo que vrias consideraes podem ser feitas em torno dela. A densidade da madeira afeta a capacidade de produo de carvoaria, porque para um determinado volume de forno a utilizao de madeira mais densa resulta em maior produo em peso. Alm disso, madeira mais densa produz carvo com densidade mais elevada, com vantagens para alguns de seus usos (OLIVEIRA et. al.1982b; e BRITO, 1993). OLIVEIRA (1988), num trabalho desenvolvido com madeira de eucalyptus fez algumas correlaes entre a densidade de madeira e outros parmetros anatmicos e qumicos para produo de carvo, so eles: Aumento de densidade da madeira acompanhado pelo aumento da espessura da parede das fibras, reduo do lmem e aumento no comprimento das fibras. medida que se aumentam os teores de lignina e de extrativos aumenta-se proporcionalmente a densidade. Reduz-se a densidade da madeira com aumento do teor de holocelulose. Madeiras mais porosas produzem carvo de maior porosidade Madeiras mais densas produzem carvo mais denso.

Estas correlaes so importantes, pois ajudam a selecionar a madeira e tomar os devidos cuidados no manejo da madeira a ser utilizada para produzir carvo.

2.1.2 -

Teor de UmidadeQualquer material lenhoso recm-abatido apresenta uma quantidade

considervel de gua, a qual, para a maioria dos casos de utilizao, deve ser em parte removida. A umidade existente na madeira de uma rvore recm-abatida atinge valores bastante elevados quando se analisa a massa. Por exemplo, madeiras de espcies do ________________________________________________________________________________________ 8Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

gnero pinus, podem apresentar de 450 a 700 Kg de gua por metro cbico de madeira, isto , 50 a 60% do peso inicial da madeira mais gua (OLIVEIRA et al., 1986). Quando a madeira de uma rvore recm-abatida exposta ao meio ambiente, inicialmente evapora-se a gua localizada nos vasos, nos canais e no lmem das clulas, que denominada gua de capilaridade ou gua livre. Permanece na madeira toda gua localizada no interior das paredes celulares que chamada gua de adeso, e a umidade correspondente a este estado denominada umidade de saturao das fibras (GALVO e JANKOWSKY, 1985). Quando este tipo de umidade removida a madeira sofre alteraes em suas propriedades (GONALVES, 1987). Por outro lado, quando a madeira, previamente seca a 0% de umidade, exposta ao meio ambiente, ela absorve a gua que est dispersa no ar em forma de vapor. A gua adsorvida corresponde gua de adeso e o teor de umidade final alcanado pela madeira, que depende das condies do meio a da espcie vegetal considerada, denominado umidade de equilbrio com o ambiente (GALVO e JANKOWSKY, 1985). Existe ainda um outro tipo de gua na madeira a chamada gua de constituio, ela se encontra quimicamente combinada com as substncias da parede celular, ou seja, a gua que faz parte da substancia qumica da madeira (GONALVES, 1987). A gua de constituio no realmente gua at que o material celulsico seja aquecido em condies drsticas, onde degradaes trmicas ocorram, resultando na quebra de grupos hidroxlicos para formar gua. A gua de constituio participa da natureza orgnica da parede celular e no removida durante a secagem, porque faz parte da madeira. Para retir-la necessrio quebrar a estrutura da madeira ou carboniz-la. A gua de constituio no desempenha papel importante na inter-relao entre a substncia madeira e a gua de soro, no influenciando nas propriedades fsicas e mecnicas da madeira (SKAAR, 1972) A umidade da madeira um fator importante e deve ser muito bem observado no processo de carbonizao da madeira. A madeira antes de ser carbonizada precisa sofrer secagem. O processo de secagem consome muita energia, que fornecida por parte da queima da lenha dentro do forno, ou da cmara de combusto externa, a depender do modelo do forno. Quanto mais mida a madeira maior ser a energia necessria para sec-la. A presena de gua na madeira representa reduo do poder calorfico, em razo da energia necessria para evapor-la, depois o teor de umidade sendo muito


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varivel, pode tornar difcil o controle do processo de combusto, havendo necessidade de constantes reajustes no sistema (COTTA, 1996 citando LADEIRA,1992). Segundo VALENTE (1986) citado por COTTA (1996), a fabricao de carvo com madeira mida, origina um carvo frivel e quebradio, provocando a elevao do teor de fino durante o manuseio e transporte e aconselha carbonizar a madeira com umidade, base seca, entre 20-30%. Teores de umidade elevados, principalmente na regio central da madeira, cerne, inevitavelmente provocar fendilhamento no carvo vegetal, predispondo a maior gerao de finos, fato ocasionado pelo aumento da presso de vapor por ocasio da transformao da madeira em carvo vegetal (COTTA,1996).

2.1.3 -

Tamanho das PeasRefere-se ao dimetro e comprimento da madeira a ser carbonizada. Em termos de dimetro, qualquer pea de lenha pode ser carbonizada. Por

razes de qualidade do carvo produzido, o dimetro ideal para carbonizao est entre 10 e 20 cm. Dimetros maiores do que 20 cm podem tornar o carvo muito quebradio, alm de dificultar o manuseio da pea. Dimetros menores do que 10 cm dificultam o arranjo das peas dentro do forno, aumentando o tempo de enchimento, com conseqncia do aumento do custo da mo-de-obra. Quanto ao comprimento da pea, ela deve estar de acordo com o tamanho do forno. Em termos de comprimento, testes realizados no CETEC (1982), mostraram uma correlao positiva entre comprimento das peas e gerao de finos. bastante comum o aparecimento de trincas na regio central do carvo. Principalmente os de grande dimetro. As trincas e fissuras internas do carvo so originadas de zonas de concentraes de tenso na madeira, ocasionada pela grande impermeabilidade da regio central (cerne) das peas. Essa impermeabilidade devida geralmente ao acmulo de resinas nas cavidades da fibra comuns do cerne. (OLIVEIRA, 1982). Dimetros e comprimentos maiores de madeira carbonizada proporcionam um carvo mais frivel.

2.2 - Composio Qumica da Madeira________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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O tecido lenhoso das rvores constitudo por diferentes tipos de clulas. As plantas folhosas possuem uma estrutura mais complexa do que as conferas, com maior nmero de tipos de clulas. Os principais componentes anatmicos das folhosas so os : elementos de vasos, responsveis pela conduo de seiva; fibrotraquedeos e fibras libriformes, responsveis pela resistncia mecnica da madeira; tecido de reserva, responsvel pelo armazenamento de compostos, e raios, responsveis pela transferncia de material no sentido radial. O fenmeno da carbonizao pode ser explicado e entendido a partir das transformaes sofridas pelos principais componentes da madeira, a celulose, as hemiceluloses e a lignina. A madeira se compe basicamente de oxignio, hidrognio e carbono. O carbono pode representar at 50% da composio da madeira, o oxignio, 44%, e o hidrognio, 6%. Levando-se em conta o percentual que esses trs elementos representam, torna-se fcil entender porque a carbonizao pode ser compreendida conhecendo-se o comportamento da lignina, das hemiceluloses e da celulose, j que esses componentes so basicamente formados de carbono, oxignio e hidrognio. De acordo com LEWIN e GOLDSTEIN (1991) e TSOUMIS (1991), em termos mdios, as madeiras so constitudas por: Celulose: 40-45% Hemiceluloses: 20-30% Lignina: 18 - 25% (Folhosas) e 25 - 35% (Conferas) Extrativos: 3-8% Cinzas: 0,4%

A celulose, principal componente da parede celular, um polissacardeo linear constitudo de unidades anidro pirano glicose com ligaes glicosdicas do tipo Beta 1-4 com alto grau de polimerizao, possuindo uma estrutura cristalina e no ramificada. O seu grau de polimerizao est compreendido entre 9000 e 10000, podendo chegar a at 15000 unidades de glicose. o composto mais comum na natureza, sendo insolvel em solventes orgnicos, em gua, em cidos e em lcalis diludos, todas temperatura ambiente (LEWIN e GOLDSTEIN,1991). As hemiceluloses tambm so polissacardeos e diferem da celulose por serem polmeros ramificados e de cadeia mais curta, possuem em sua estrutura outras unidades de acar diterentes da glicose como por exemplo, hexoses e pentoses como a manose, a galactose, a xilose, a arabinose, o cido 4-o-metilglucurnico,. Geralmente possuem um peso molculas menor que o da celulose, o seu grau de polimerizao varia de 100 a 200 ________________________________________________________________________________________ 11Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

unidades de acares (PETTERSEN, 1984; LEWIN e GOLDSTEIN,1991). So os compostos da madeira responsveis pela formao da maior parcela de cido actico, durante a decomposio trmica (OLIVEIRA et al., 1982a). Segundo SHAFIZADEH e CHIN (1977) e (OLIVEIRA et al. 1982a), a 400C, a celulose e as hemiceluloses resultam num rendimento em carvo de aproximadamente 10 a 13% respectivamente. A lignina um dos trs polmeros bsicos que constituem a madeira. um composto amorfo, tridimensional, de composio qumica bastante complexa, que se constitui de unidades de fenil propano, tendo uma cadeia altamente ramificada; o componente mais hidrofbico da madeira. Tem uma funo adesiva entre as fibras e confere dureza e rigidez parede celular (PETTERSEN, 1984). As unidades de fenil propano so mantidas juntas, tanto por ligaes ter (C-OC) como por carbono-carbono (C-C). A ligao ter predominante, aproximadamente 2/3 ou mais das ligaes da lignina so desse tipo e o restante do tipo carbono-carbono (SJSTRN, 1993). A lignina um dos componentes da madeira de madeira de fundamental importncia na produo do de carvo vegetal uma vez que o composto que mais contribui para a formao do resduo carbonfero, bem como pela formao do alcatro insolvel. A lignina a 400C, proporciona rendimentos de aproximadamente 55% de resduo carbonfero (OLIVEIRA et al., 1982a). Os extrativos so componentes que no fazem parte da constituio qumica da parede celular e incluem elevado nmero de compostos. Incluem resinas, acares, taninos, cidos graxos, dentre outros compostos, os quais influem nas propriedades da madeira. Assim, a cor, o odor, as resistncias ao apodrecimento e ao ataque de insetos, a permeabilidade, a densidade e a dureza so afetados pela sua presena (PETTERSEN, 1984). O contedo de cinzas usualmente pequeno, podendo incluir clcio, potssio, magnsio e traos de outros. Quanto maior a proporo de matrias minerais na madeira, maior ser a percentagem de cinzas no carvo, fato este pouco desejvel, principalmente quando alguns dos componentes so prejudiciais para fins siderrgicos. O teor, bem como a composio qumica das cinzas pode ser afetada pela disponibilidade de minerais no solo (ANDRADE, 1993). Melhores propriedades qumicas do carvo, maiores teores de carbono fixo, e menores teores em substncias volteis e cinzas esto associados madeira com altos________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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teores de lignina, para determinadas condies de carbonizao. Madeiras com altos teores de extrativos e lignina produzem maior quantidade de carvo, com maior densidade e mais resistente em termos de propriedades fsicas e mecnicas.

2.3 - O Processo de Carbonizao da MadeiraTodo o processo de carbonizao tem sido alvo de inmeras pesquisas para conhecimento dos mecanismos e processos que levam transformao da madeira em carvo. Quando se coloca uma pea de madeira sob a ao do calor, ocorre a destruio de seus principais componentes, resultando na formao de carvo e diversos outros compostos, dos quais mais de 213 j foram identificados. Para explicar como ocorre a formao desses componentes, e quais so os mecanismos e reaes que acontecem durante a carbonizao, tm-se desenvolvido vrios modelos. A carbonizao um processo que depende do tempo e da temperatura. Assim, pode-se dizer que a formao de tios durante o processo se d provavelmente pela no exposio da pea de madeira temperatura durante um tempo adequado, gerando, assim, zonas no pirolisadas (OLIVEIRA et al., 1982a; MEDEIROS E RESENDE, 1983). As anlises, termogravimtrica e termodiferencial tm sido frequntemente usadas nos estudos de decomposio trmica da madeira. A anlise termogravimtrica mostra como a madeira se comporta quando aquecida, sendo possvel verificar em que temperatura iniciada a decomposio trmica e, ainda, em que faixa de temperatura a decomposio trmica mais pronunciada. A anlise termodiferencial torna possvel a identificao dos picos e, ou das faixas de ocorrncia das reaes endotrmicas e exotrmicas do processo.

2.3.1 -

Carbonizao da CeluloseA celulose o componente da madeira mais fcil de ser isolado sendo, portanto,

o componente mais estudado. A celulose produz, sob atmosfera de nitrognio, 34,2% de carvo a 300 oC. Este resultado, no entanto, decresce vigorosamente com o aumento da temperatura, e a 600 oC a degradao da celulose quase completa, deixando um resduo de carvo de somente 5%. Como o processo de carbonizao ocorre a temperaturas superiores de 300 oC, pode-se concluir que a celulose contribui pouco para a rendimento gravimtrico do carvo (OLIVEIRA et al., 1982a).


13

Beall e Eickner, citado por OLIVEIRA (1982a) propuseram, com base nos resultados de termoanlise, que a energia de ativao do processo de decomposio da celulose da ordem de 40 kcal/mol. A degradao trmica da celulose nos seguintes estgios: Plat entre 155 e 259 oC, correspondente ao aquecimento da celulose, sem provocar quebra de ligao; Reaes exotrmicas localizadas nas regies de temperatura, 259 a 380 oC, 389 a 414 oC, 414 a 452 oC. Nestes intervalos de temperatura acorre quebra da molcula de celulose; Plat entre 452 e 500 oC, com formao de substncias estveis; Reaes endotrmicas entre 500 e 524 oC, indicando o trmino das reaes.

De outra forma, a degradao da celulose pode ser dividida em estgios, onde se pretende mostrar a ocorrncia dos principais eventos de maneira mais geral; Primeiro estgio, neste perodo ocorre vigorosa decomposio; Segundo estgio, a decomposio continua a ocorrer havendo a

volatilizao dos produtos formados; Terceiro estgio, evoluo dos produtos volteis.

2.3.2 -

Carbonizao das HemicelulosesAs hemiceluloses constituem o componente da madeira responsvel pela

formao da maior parcela de cido actico. o componente da madeira menos estvel, devido sua natureza amorfa. A decomposio das hemiceluloses se processam em dois estgios, os quais so (OLIVEIRA et al., 1982a). Primeiro estgio, a molcula se decompe em fragmentos menores; Segundo estgio, neste perodo ocorre uma despolimerizao das cadeias pequenas, formando unidades do monmero. H grande formao de volteis, tanto a partir do polmero como do monmero ento formado. O fornecimento de calor ao processo produzir uma mudana brusca no comportamento das hemiceluloses, pelo menos no que se refere ao rendimento em carvo. Na temperatura de 500 oC o rendimento em carvo apenas 10%. Os produtos formados a 300 oC, quando submetidos a temperaturas mais altas, iro sofrer mudanas radicais, decompondo-se e volatilizando, sendo que a maior parte dos volteis iro se condensar,________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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formando a maior frao a 500 oC que o lquido condensado. O baixo rendimento em carvo a 500 oC (10%) mostra que as herniceluloses tambm contribui muito pouco para a formao de carvo no processo de carbonizao em fornos de alvenaria (OLIVEIRA et al., 1982a).

2.3.3 -

Carbonizao da LigninaA lignina o componente da madeira de mais difcil isolamento, por isso os

estudos relativos ao processo de decomposio so escassos. Os mecanismos de decomposio da lignina no esto bem definidos, devido sua estrutura relativamente complexa, ocasionando rupturas e formao de inmeros compostos. O comportamento da lignina frente ao processo de carbonizao o principal responsvel pela formao do carvo. O produto mais importante da decomposio da lignina o carvo, mostrando a relao entre lignina e rendimento em carvo. Em temperaturas de 450 a 550 oC se obtm um rendimento em carvo de 55% (SARKANEN e LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982a). Esta temperatura compatvel com a temperatura de operao dos fornos de alvenaria, o que demonstra a importncia da lignina na produo de carvo vegetal.

2.4 - Fsico-Qumica da CarbonizaoComo explicado anteriormente, o comportamento da madeira ao ser

carbonizada pode ser explicado pelo comportamento de seus principais componentes. Cada um deles participa de maneira diferente gerando diferentes produtos, devido natureza de sua composio qumica. A medio da perda de peso ocorrida com a madeira e seus componentes isoladamente uma tcnica de grande importncia para identificar as etapas que ocorrem durante o processo de carbonizao. A degradao da celulose se processa rapidamente em um curto intervalo de temperatura cerca de 50oC provocando drsticas mudanas no seu comportamento, com a perda de cerca de 77% do seu peso. As hemiceluloses comeam a perder peso em temperaturas prximas a 225oC, sendo o componente menos estvel da madeira, uma vez que a sua degradao quase completa na temperatura de 325oC, perdendo peso continuamente sob a ao do calor (SARKANEN e LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982a). A lignina o componente qumico da madeira mais importante quando se objetiva a produo de carvo vegetal, pois o rendimento gravimtrico do processo est diretamente relacionado com o contedo de lignina na madeira. Esse componente comea a degradar-se em temperaturas mais baixas, a partir de 150oC, ao contrrio da celulose e das ________________________________________________________________________________________ 15Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

hemiceluloses, cuja degradao mais lenta. A lignina continua perdendo peso em temperaturas superiores a 500oC, dando como resultado um resduo carbonoso. Tal perda bem menor que a ocorrida com a celulose e as hemiceluloses (SARKANEN e LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982a). As maneiras de agrupar os fenmenos que acontecem durante a carbonizao diferem de autor para autor. Por exemplo, (OLIVEIRA et al., 1982a; MEDEIROS E RESENDE, 1983) dividiram os fenmenos da carbonizao da seguinte maneira: Zona A: at 200oC, caracterizada pela produo de gases no condensveis, tais como vapor dgua, CO2, cido frmico e actico; Zona B: Compreendida na regio de temperatura entre 200 e 280oC. Nesta zona so produzidos os mesmos gases da Zona A. Neste caso, h diminuio substancial no vapor dgua e aparecimento de CO. As reaes que acontecem nesta regio so de natureza endotrmica; Zona C: de 280 a 500oC. A carbonizao ocorre por meio de reaes exotrmicas. A temperatura a que as reaes exotrmicas ocorrem no est bem identificada. Os produtos obtidos nesta etapa so sujeitos a reaes secundrias, incluindo combustveis e alcatro, CO e CH4; Zona D: acima de 500oC. Nesta regio j existe o carvo. Aqui acontecem vrias reaes secundrias, catalisadas pelo leito de carbonizao. Klason e colaboradores citados por OLIVEIRA, (1982a), fizeram a primeira tentativa de elaborar uma equao qumica para explicar o processo de carbonizao temperatura de 400oC. A equao a seguinte: 2C42H66O28 ==> 3C16H10O2 + 28H2O + 5CO2 + 3 CO + C28H46O9 Essa equao genrica no contm todos os produtos obtidos na destilao da madeira e, devido ao agrupamento dos condensveis em um s composto, no permite a identificao das quantidades de alcatro e de cido pirolenhoso. Outros componentes do carvo, como teor de umidade, cinzas e materiais volteis, tampouco so abordados. O quadro 2, ilustra a evoluo da carbonizao em termos de produtos obtidos em temperaturas crescentes de carbonizao (OLIVEIRA, 1982a). Quadro 2 - Evoluo terica da carbonizaoParmetros Secagem Gases oxigenado s 200-280 Incio da Fase dos Dissocia Fase do fase dos hidrocarb o e H2 hidrocarb onetos contrao onetos 280-380 380-500 500-700 700-900

Temperatura ( C)

o

150-200


16

Teor de carbono fixo (% B.S.) GNC (% B.S.) CO2 CO H2 Hidrocarbonetos

60 68 30 2

68 66,5 30 0,2 3,3

78 35,5 20,5 6,5 37,5

84 31,5 12,3 7,5 48,7

89 12,2 24,6 42,7 20,5

91 0,5 9,7 80,9 8,9

PCI dos GNC 3 (kcal/m )

1000

1210

3920

4780

3680

3160

Fonte (CETEC, 1982)


17

3-

A Produo de Carvo de Vegetal

3.1 - Parmetros de ProduoA carbonizao pode ser representada de maneira simples como: MADEIRA + CALOR = CARVO VEGETAL + VAPORES CONDENSVEIS + GASES INCONDENSVEIS Conforme ALMEIDA (1982) o processo de carbonizao pode ser dividido em quatro fases distintas: 1 SECAGEM: Que consiste na evaporao da gua contida na madeira sob as formas: Higroscpica, no interior das fibras: at 110 oC. Absorvida pelas paredes das clulas: de 110 oC a 150 oC Quimicamente ligada de 150 oC a 200 oC

2 PRCARBONIZAO: Fase endotrmica do processo no qual uma frao do licor pirolenhoso e pequenas quantidades de gases no condensveis so produzidas de 180 oC a 200 oC at 250 oC a 300 oC. 3 CARBONIZAO: 250 oC a 300 oC. 4 FASE FINAL: Perodo caracterizado por um aumento do teor de carbono no carvo e conseqentemente um decrscimo no teor de materiais volteis, com grande produo de alcatro Os parmetros que influenciam este processo so apresentados a seguir. Perodo caracterizado por uma reao exotrmica e

violenta. A maior parte do alcatro e cido pirolenhoso so produzidos durante esta fase. De

3.1.1 -

Temperatura Mxima MdiaA temperatura de carbonizao afeta de maneira diferenciada cada elemento

qumico da madeira. O grfico 2, apresenta a evoluo da converso da madeira em carvo. At 200oC, ocorre a secagem e o incio da decomposio da celulose e das hemiceluloses,________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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quando a fase slida perde cerca de 20% de seu peso. De 200 a 300oC, as reaes de decomposio se intensificam, e a matriz slida reduz seu peso a cerca de 40% do valor inicial. Acima de 300oC, a perda de peso bem menos intensa, restando, a 500oC, em torno de 30% do peso inicial sob a forma de carvo. Tanto gases, vapores e matriz slida so combustveis (OLIVEIRA, 1982a). O teor de carbono eleva rapidamente com o aumento da temperatura de carbonizao, enquanto decrescem os teores de hidrognio e oxignio. Grfico 2 Composio elementar do carvo vegetal e rendimento em relao madeira seca, em funo da temperatura de carbonizao.

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Fonte: CETEC (1982) Segundo MIRANDA (1999) citando FLORES LOPEZ e SILVA (1998), a celulose degradada rapidamente em um curto intervalo de temperatura, provocando drsticas mudanas no seu comportamento e perdendo cerca de 77% do seu peso. A celulose contribui muito pouco para a produo de carvo. Quando carbonizada a temperatura de 600 oC, a produo de carvo a partir de celulose tende a ser mnima. Quando o carvo produzido at cerca de 300 oC (condies de laboratrio), ocorre um aumento no rendimento do carvo proveniente da celulose. A celulose nos processos normais de carbonizao acaba sendo um gerador de produtos volteis. As hemiceluloses tambm contribuem muito pouco para a produo de carvo. Durante a carbonizao da madeira, apresentam um rendimento em carvo em torno de 10% a 500 oC. So muito instveis devido a sua estrutura amorfa, gerando volteis e cido actico. As hemiceluloses comeam a perder peso em temperaturas prximas de 225 oC,________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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sendo o componente menos estvel da madeira, uma vez que sua degradao quase completa a 325 oC, perdendo peso continuamente sob a ao do calor.(MIRANDA, 1999). A lignina comea a se degradar lentamente em temperaturas mais baixas, a partir de 150 oC e continuam perdendo peso em temperaturas superiores a 500 oC, resultando em um resduo carbonoso. A lignina apresenta um rendimento em carvo de 55% quando a carbonizao realizada entre 450-550 oC. Os outros 45% esto divididos em alcatro (15%), lquido condensado (20%) e gases no condensveis (10%). Observem que a temperatura de carbonizao da lignina a temperatura comum dos fornos utilizados atualmente para se produzir carvo (MIRANDA, 1999). Grfico 3 Composio do carvo vegetal em funo da temperatura de carbonizao.

Fonte: CETEC (1982) Anlises de difrao de raio X realizadas no CETEC mostraram que quanto maior a temperatura de carbonizao, a estrutura amorfa do carvo vegetal tende a se ordenar tendendo a uma grafitizao. Conforme mostra o quadro 3, como regra geral o aumento da temperatura de carbonizao resulta em elevao dos rendimentos de lquido e gs, com conseqente diminuio do rendimento em carvo. Isso mostra que, com o aumento da temperatura do carvo, ocorre perda dos volteis, os quais iro enriquecer as fases lquida e gasosa. Essa expulso dos volteis do carvo provoca um aumento do teor de carbono fixo, ou seja, uma melhora na qualidade do carvo produzido


20

Quadro 3 - Rendimentos gravimtricos (%) obtidos na carbonizao da madeira de Eucalyptus grandis. Temperatura de carbonizao ( C) 450 550 700o

Rendimento em carvo (%)* 32,89 28,15 27,57

Rendimento em lquidos (%*) 43,68 46,73 46,30

Rendimento em GNC (%)* 23,43 25,12 26,13

Fonte (CETEC,1982) Idealmente, lgico se pensar na produo de um carvo com alto teor de carbono fixo, ou seja, um carvo mais concentrado. No entanto, para se obter alto teor de carbono fixo h necessidade de se introduzirem no processo quantidades sempre crescentes de energia. Conforme o quadro 4, o ganho obtido com o aumento do teor de carbono relativamente grande quando se trabalha em temperaturas baixas. Quando a temperatura se eleva demasiadamente, o aumento observado no teor de carbono no relevante. De acordo com os dados discriminados no quadro acima, ao atingir a temperatura de 500oC suficiente para produzir um carvo vegetal com um teor de 89,6% de carbono. A elevao da temperatura para 1000oC aumenta o teor de carbono para 96,6%. Portanto, a elevao da temperatura em 500oC resulta num pequeno aumento no teor de carbono (s 7 unidades), sendo, portanto, pouco prtica a produo de carvo temperatura de 1000oC (OLIVEIRA et al, 1982a). Quadro 4 - Variao do teor de carbono fixo do carvo vegetal com a temperatura final de carbonizao Temperatura de carbonizao (oC) 200 300 400 500 600 800 1000 Fonte: WENZL (1970). O aumento do teor de carbono fixo do carvo vegetal com o aumento da temperatura final de carbonizao acompanhado pela reduo concomitante do teor de matrias volteis, conforme mostrado no quadro 5.________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

Teor de carbono fixo (%) 52,3 73,2 82,7 89,6 92,6 95,8 96,6

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Quadro 5 - Anlise qumica imediata do carvo obtido a diferentes temperaturas finais de carbonizao Temperatura de carbonizao ( C) 450 550 700 o

Teor de carbono fixo (%)* 75,06 86,53 89,82

Teor de materiais volteis (%)* 21,03 10,12 7,25

Teor de cinzas (%)* 3,91 3,25 2,93

(%): em relao ao peso de madeira seca.

Fonte: CETEC(1982) A composio dos gases de sada do forno de alvenaria tambm depende sensivelmente de sua temperatura interna. At 280oC, desprendem-se gases oxigenados, que iro ceder lugar aos gases hidrogenados medida que a temperatura do processo aumenta. O desprendimento de hidrocarbonetos continua aumentando at a temperatura de 500oC. Com o aumento da temperatura h um enriquecimento do gs, pois ocorre aumento dos gases combustveis e diminuio do teor de CO2. Inicialmente, os gases so oxigenados, representados pelo CO e CO2. medida que a temperatura aumenta, h uma mudana na natureza dos gases: inicia-se a formao dos gases hidrogenados, representados principalmente por CH4. de se esperar um aumento no poder calorfico dos gases medida que se aumenta a temperatura (OLIVEIRA et al, 1982a). Se a operao de carbonizao for interrompida em temperatura pouco inferior a 400oC, procede-se a uma completa vedao do forno. Haver nova formao de hidrocarbonetos, enquanto os gases oxigenados e o hidrognio tendero a desaparecer lentamente. Esse fenmeno ocorre durante o esfriamento do carvo no interior do forno. Quando se fecha o forno naquela regio de temperatura, h tendncia de aumentar a presso interna, e a atmosfera gasosa que envolve o carvo apresenta teor de hidrocarbonetos e alcatro da ordem de 80 a 90%. Com o decorrer do tempo, o carvo absorver grande parte desse material voltil dando origem ao carvo slido, podendo aumentar o teor de carbono no carvo vegetal em 5 a 6%. Com relao influncia da temperatura de carbonizao na recuperao de alcatro insolvel, verifica-se que o aumento da temperatura final do processo aumenta a recuperao do alcatro. A formao de alcatro insolvel se inicia na faixa de 150 a 200oC, passando por um mximo na faixa compreendida entre 200 e 340oC. Nesta faixa de temperatura se produz praticamente 90% do alcatro durante a carbonizao, at uma temperatura final de 400 a 450oC (OLIVEIRA et al, 1982a).________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

22

3.1.2 -

Taxa de AquecimentoA taxa de aquecimento pode ser definida como a velocidade que a temperatura

se eleva num dado intervalo de tempo, enquanto a madeira carbonizada. Quando se processa a carbonizao da madeira, a taxa de aquecimento ou velocidade de aquecimento do processo de carbonizao tem grande influncia nos rendimentos gravimtricos dos produtos e tambm no teor de carbono fixo do carvo vegetal (CETEC, 1981b) Experincia realizadas no CETEC (1982) obtiveram resultados interessantes com relao taxa de aquecimento, conforme pode ser observado no quadro 6. Para uma carbonizao de 6 horas, que equivalente ao perodo de carbonizao de uma retorta contnua, o rendimento em alcatro insolvel de 8,0%, enquanto que, para a carbonizao de 3 dias, correspondente ao perodo de carbonizao num forno de alvenaria, esse rendimento da ordem de 2,0%. Da, pode-se concluir que a uma determinada temperatura final do processo, a produo de alcatro insolvel cresce sensivelmente com o aumento da taxa de aquecimento. O comportamento do rendimento em carbono fixo inverso quele apresentado pelo alcatro insolvel. O rendimento em carbono fixo para a carbonizao de 3 horas da ordem de 26%, atingindo valores mdios de 31% para a carbonizao conduzida num perodo de 3 e 8 dias. O rendimento em carvo tambm afetado pela taxa de aquecimento. A relao da taxa de aquecimento com o rendimento em carvo inversa, ou seja, quando a taxa de aquecimento aumenta, o rendimento em carvo tende a reduzir (OLIVEIRA et. al., 1982a). Carbonizao: 3 horas ! 2,3 oC/min 8 dias ! 2,3 oC/h 6 horas ! 1oC/min 3 dias ! 6 oC/h Quadro 6 - Rendimentos da carbonizao a 430oC, a diferentes taxas de aquecimento Taxa de aquecimento 2,3 oC/min* 1,0 oC/min* 1,0 oC/min* 6,0 oC/h* Rendimento em carvo (%) 34,1 35,0 34,5 40,8 Rendimento em alcatro (%) 9,6 7,6 8,0 1,9 Rendimento em carbono fixo (%) 26,3 27,2 27,1 31,8 23


Taxa de aquecimento 2,3 oC/h* 1,0 oC/min** 0,5 oC/min** 6,0 oC/h** 6,0 oC/h** 2,3 C/h**o

Rendimento em carvo (%) 40,5 37,0 38,1 36,9 36,9 43,6

Rendimento em alcatro (%) 1,3 8,4 6,7 2,3 2,4 2,2

Rendimento em carbono fixo (%) 30,2 28,9 28,7 29,3 29,9 33,0

(*) Eucalyptus grandis. (**) Eucalyptus paniculata. Fonte: CETEC (1981b) O rendimento, em peso, do carbono fixo tende a cair quando a velocidade de aquecimento aumenta.(GOMES, 1982). Taxas mais elevadas de aquecimento tendem a produzir um carvo mais frivel. Isso facilmente explicvel pelo fato de a cintica de carbonizao ser mais intensa promovendo assim fissuras e trincas no carvo.Taxas lentas de aquecimento promovem aumento na densidade verdadeira do carvo quando comparados a taxas rpidas de aquecimento, conforme pode ser observado no quadro 7 (OLIVEIRA, 1988). Quadro 7 - Resultados da densidade relativa aparente do carvo vegetal carbonizado a 430oC em diferentes velocidades de aquecimento. Tempo de carbonizao (horas) 71,0 2,0 Taxa de aquecimento Densidade verdadeira (oC/min) 0,1 3,4 (g/cm3) 0,70 0,46 Teor de carbono fixo (% B.S.) 78,02 78,51

Fonte: (OLIVEIRA et. al., 1982a).

3.1.3 -

Presso do Forno Durante o ProcessoA presso um parmetro de pouca influncia para produzir carvo uma vez

que praticamente todos os sistemas de carbonizao trabalham com a presso atmosfrica. Logo o interesse principal neste parmetro fica restrito a testes de laboratrios. Porm vale salientar que alguns sistemas como o Forno Container trabalha com uma leve presso negativa, logo de se esperar que haja uma melhora no rendimento do carvo embora no existam dados cientficos que comprovem isto ainda.


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Num processo aberto com bastante ar, os gases e vapores formariam as chamas e a matriz slida a brasa, como se v ao se observar queima de uma pea de madeira qualquer. Os produtos finais seriam as cinzas, a gua e o dixido de carbono. Entretanto, enclausurando-se a madeira, no se permitindo a presena de oxignio e mantendo-se condies satisfatrias de aquecimento para que as reaes de decomposio ocorram, tem-se a gerao de cido pirolenhoso, alcatro, gases e carvo. Nos processos industriais, a distribuio final desses produtos depender, portanto, da forma pela qual se deu o aquecimento. Quando se usa fonte externa de calor para carbonizao (processos alotrmicos), os rendimentos gravimtricos em produtos se aproximam dos obtidos em testes de laboratrios. Quando a fonte de calor interna (processos autotrmicos), ou seja, o calor proveniente da combusto parcial da madeira e dos prprios produtos da carbonizao, a previso dos rendimentos extremamente difcil, devendo ser analisada caso a caso em funo do tipo de equipamento de carbonizao utilizado.Com o grfico 4, observa-se que a presso tem influencia sobre o rendimento em carvo (OLIVEIRA et. al., 1982a). Grfico 4 Rendimento da carbonizao em condies de presso atmosfrica e em recipiente selado.

Fonte: CETEC (1982) A presso tem relao direta com o rendimento em carvo e inversa com o rendimento em alcatro. Assim, aumentos na presso do processo fazem com que os rendimentos em carvo aumentem e os rendimentos em alcatro diminuam. O mecanismo de ao da presso est relacionado com o tempo de contato entre os reagentes, ou seja, os volteis e o produto slido a alta temperatura. Desta forma, quanto maior o tempo de contato, maior o rendimento em carvo, e vice-versa. Os resultados do quadro 7, ilustram as variaes ocorridas quando se alteram as condies de presso do processo de carbonizao (OLIVEIRA et. al., 1982a).________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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Quadro 1 - Rendimentos em carvo em carbonizaes realizadas sem e sob presso (dados que representam o grfico 4) Rendimento em carvo (%) Temperatura de carbonizao (oC) 160 180 200 220 240 260 280 320 340 Fonte:CETEC(1982) 98,0 88,6 77,1 67,5 50,8 40,2 36,2 31,2 29,7 Carbonizao sem presso Carbonizao em recipiente selado 97,4 93,0 87,7 86,4 83,0 82,5 83,8 78,7 79,1

3.2 - Fornos de CarbonizaoOs fornos utilizados para a carbonizao da madeira podem ser classificados das seguintes formas: Pelo Aquecimento: o o Fornos com aquecimento externo ou alotrmicos Fornos com aquecimento interno ou autotrmicos

Pelo Mobilidade: o o Fornos fixos Fornos portteis

Pelo Continuidade: o o Fornos contnuos Fornos por carga ou batelada.

So vrios os tipos de fornos existentes, sendo que os mais comuns so os fornos de alvenaria, como o rabo quente, encosta e o de superfcie.________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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As vantagens destes fornos so: 1. Facilidade de vedao das entradas de ar; 2. Fcil controle da manobra de carbonizao; 3. Baixo custo; 4. Fcil construo; 5. A possibilidade de deslocamento acompanhando a explorao florestal; Os fornos de alvenaria convencionais possuem certas desvantagens que podem ser enumeradas conforme PIMENTA & BARCELLOS (2000): 1. Baixo rendimento gravimtrico com a consequente subutilizao da biomassa lenhosa; 2. As fumaas da carbonizao so liberadas diretamente para o ambiente, contaminado os trabalhadores e o ambiente circundante; 3. As paredes de alvenaria so ms condutoras de calor, o que faz com que sejam necessrios dias para o resfriamento do carvo a temperaturas que possibilitem manuseio, carga e transporte; 4. O carvo vegetal apresenta qualidade varivel, em funo da sua posio do forno, e assim em uma mesma fornada so obtidos carves em diferentes estados de decomposio trmica, ou seja, dos tios no cho do forno at o carvo com teor de carbono fixo em 80% que se forma na parte superior da carga enfornada; 5. A carga de lenha e a descarga do carvo so feitas, manualmente, exigindo grande esforo fsico por parte dos trabalhadores; 6. A produo no leva em conta parmetros de qualidade de carvo vegetal importantes para indstria consumidora, tais como, composio qumica, poder calorfico, densidade do granel e resistncia mecnica; 7. O treinamento de mo de obra extremamente dificultado em funo do empirismo com que se conduz a carbonizao nos forno de alvenaria colorao de fumaas, temperatura externa das paredes do forno, aparncia dos tatus, etc; 8. Dificuldade de padronizar a rotina de carbonizao em fornos de alvenaria; Os principais fornos de carbonizao so descritos a seguir:________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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3.2.1 -

Forno Rabo QuenteO forno rabo quente (figura 1), pela sua simplicidade construtiva e baixo custo

um dos mais difundidos, principalmente junto a pequenos produtores. recomendado para locais planos, e geralmente construdo em baterias ou conjunto de fornos. O forno rabo quente construdo utilizando-se apenas tijolos de barro cozido e argamassa de barro e areia. A argamassa utilizada uma mistura de terra, areia e gua em quantidades qu produzam um barro fcil de trabalhar. A mistura de areia tem o objetivo de reduzir as trincas que aparecem no forno durante as carbonizaes (CETEC, 1982). Algumas caractersticas deste forno podem ser assim enumeradas 1. Baixo rendimento gravimtrico. 2. O carvo vegetal apresenta qualidade varivel, em funo da sua posio no forno, de madeira pouco decomposta (tios) at madeiras com nveis elevados de carbono fixo. 3. Controle emprico da carbonizao atravs de fatores subjetivos como a fumaa e o calor da parede de alvenaria pelo tato do carbonizador. Isso impede um controle adequado da temperatura e a taxa de aquecimento que so importantes para a qualidade do carvo. 4. Grande manuabilidade do carvo na descarga o que aumenta a produo de finos no carvo. Figura 1 Esquema simplificado de um forno Rabo Quente


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A operao do forno compreende o seu carregamento, isto , a colocao da lenha em seu interior, a carbonizao e a descarga do carvo produzido. A utilizao de lenha seca fundamental para que se tenha uma boa carbonizao, pois o teor de umidade da lenha influi diretamente no rendimento do forno (CETEC, 1982). Depois de feito o carregamento do forno, procede-se ao fechamento da porta e o acendimento. O acendimento feito colocando-se no buraco deixado na parte superior da porta, materiais que pegam fogo com facilidade, tais como, tios ou gravetos. No incio da combusto a fumaa sai pelo prprio buraco de acendimento e de cor esbranquiada. Quando a fumaa torna-se escura sinal que a combusto esta sucedendo, e neste momento pode-se completar o fechamento da porta (CETEC, 1982). Depois de fechado o orifcio de acendimento, a fumaa comear a sair pelas baianas. No incio, a fumaa branca ou de uma cor meio encardida, tornando-se azulada com o tempo. Quando a fumaa torna-se azulada significa que a carbonizao, ou frente de carbonizao, j atingiu aquele ponto e a baiana deve ser fechada. Como a frente de carbonizao no atinge todas as baianas ao mesmo tempo, elas sero fechadas em momentos diferentes. Diversos fatores podem contribuir em maior ou menor grau, para o desenvolvimento no uniforme da carbonizao. Entre outros podem ser mencionados o carregamento mal feito do forno, a lenha no uniforme, tanto em termos de tamanho quanto em termos de umidade, e as condies climticas como ventos fortes e chuvas. Todos esses fatores devem ser contrabalanados por uma vigilncia constante do forno (CETEC, 1982). Para o descarregamento do forno, a temperatura ideal de mais ou menos 60o

C. No se deve abrir um forno que no esteja suficientemente frio, pois a entrada de ar

pode provocar o incndio do carvo. O tempo ideal de corrida de um forno de sete dias, desde o acendimento do fogo at a retirada do carvo. So trs dias para carbonizar, trs dias para esfriar e um dia para descarregar/encher o forno. Este tempo tambm aplicvel para os fornos a serem explicados a seguir (CETEC, 1982).

3.2.2 -

Forno de EncostaO forno de encosta uma adaptao do forno rabo quente sendo que muito

utilizado em regies de topografia mais acidentada. A principal caracterstica do forno a de aproveitar o desnvel natural de terrenos acidentados. Para constru-lo corta-se o barranco com a forma circular, apoiando-se a copa sobre a borda do terreno, que funciona como se fosse a parede do forno, conforme pode ser observado na figura 2 (CETEC, 1982).________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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As caractersticas quanto a qualidade do carvo produzido so as mesmas do forno rabo quente. Figura 2 Esquema simplificado de um Forno de Encosta

A operao do forno de encosta semelhante quela do forno rabo quente. O acendimento do forno feito ao igual que no forno rabo quente. O controle da carbonizao ser feita com base na quantidade e cor das fumaas que saem pelas chamins. Como o forno possui 3 chamins e, nem sempre a frente de carbonizao desenvolve-se de maneira uniforme, possvel que o aspecto da fumaa em cada uma das chamins no seja o mesmo aps algum tempo de carbonizao. Para o controle da carbonizao procede-se ao fechamento das entradas de ar, para reduzir a velocidade da frente de carbonizao. Tambm isto pode-se lograr pelo fechamento parcial das chamins (CETEC, 1982). Quando o fumaa torna-se pouco densa e de colorao azulada em determinada chamin, fecham-se todas das entradas de ar mais prximas, pois esta uma indicao de que a frente de carbonizao j atingiu o fundo do forno na regio daquela chamin. A descarga do carvo s deve ser iniciada depois que o forno estiver suficientemente frio, valendo as mesmas observaes feitas para o forno rabo quente (CETEC, 1982).

3.2.3 -

Forno de Superfcie30


O forno de superfcie (figura 3), mais utilizado pelos grandes produtores de carvo vegetal. As caractersticas so muito parecidas com a do forno rabo quente, com a vantagem de possuir uma chamin lateral com tiragem central da fumaa do forno, melhorando as condies trmicas e de fluxo de fumaa dentro do forno. Alm disso no h a necessidade de se controlar a entrada de ar no forno, da a inexistncia de baianas, tatus e filas, o que simplifica sua operao e diminui o trabalho de alvenaria (MARRI, et alli, 1982). O forno de superfcie, pelas suas caractersticas de construo, apresenta melhores condies do que os anteriormente descritos para que a frente de carbonizao se propague de maneira mais homognea e sob melhor controle do operador. Figura 3 Esquema simplificado de um Forno de Superfcie

A operao deste forno tende a ser mais simples devido principalmente existncia de apenas uma chamin e a possibilidade de utilizar as filas e tatus para acompanhar o desenvolvimento da frente de carbonizao. Como nos fornos anteriores, no incio da carbonizao as fumaas tendem a sair pelas baianas as quais devem ser fechadas. Com o fechamento das baianas as fumaas passaro a ser expelidas pela chamin, ento dever ser concentrada a ateno do forno. o aspecto da fumaa que indica o desenvolvimento da carbonizao. Alm disso, a propagao da frente de carbonizao pode ser acompanhada avaliando-se a temperatura externa da parede e atravs da inspeo visual e sondagem de filas e tatus (CETEC, 1982).________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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Ainda assim, por influncia de outros fatores como ventos fortes, chuvas, etc., a propagao da frente no uniforme, sendo necessrio seu controle atravs do fechamento das entradas de ar. O procedimento para descarga o mesmo j descrito para os outros fornos (CETEC, 1982).

3.2.4 -

Forno de Superfcie com Cmara Externa muito parecido com forno de superfcie, porm ele possui uma cmara externa

para o incio da carbonizao. Na figura 4 mostra um esquema de um forno de superfcie. Neste tipo de forno, o calor para a carbonizao da lenha fornecido pela queima, na cmara, de lenha ou qualquer outro tipo de material como cascas, galhadas, etc. que normalmente no so aproveitados (MARRI, et alli, 1982). No havendo queima de lenha no interior do forno, h um melhor aproveitamento do seu espao interno, pois toda a lenha enfornada pode ser transformada em carvo. Figura 4 Esquema simplificado de um Forno de Superfcie com cmara externa.

O forno de superfcie com cmara, mostrado na Figura acima, no possui nenhuma entrada de ar, sendo que o controle da carbonizao d-se atravs da cmara________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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Diferentemente dos fornos j descritos, o controle da carbonizao feito exclusivamente atravs da cmara de combusto, na medida em que esse forno no possui entradas de ar. Depois de acesa a cmara, o controle da carbonizao se d pela quantidade de ar que se deixa entrar em seu interior. Com a porta da cmara fechada, a quantidade de ar regulada pela abertura da janela na parte inferior da porta. Em princpio, a cmara deve ser mantida acesa durante toda a fase de carbonizao. O controle da chama na cmara feito de modo a no permitir e entrada de oxignio para o interior do forno, procedimento que evitar a queima da lenha enfornada. A alimentao da cmara deve, portanto, ser feita de tal maneira que no falte lenha para queima, e que no seja queimada lenha em excesso. Ao final da carbonizao a porta da cmara e a janela existente em sua parte inferior so fechadas e vedadas com barro, iniciando-se o fase de resfriamento (CETEC, 1982). Como os outros fornos j descritos, o desenvolvimento da carbonizao acompanhado pelo aspecto das fumaas que saem pela chamin. Neste caso, quando a fumaa torna-se pouco densa e de colorao azulada, indicao de que frente de carbonizao atingiu o fundo do forno, e a carbonizao est no fim.

3.2.5 -

Fornos MetlicosOs fornos metlicos, de diferentes formas e tamanhos, tem a vantagem de

serem mveis, podendo sempre estar instalados prximos s reas de corte de lenha. Tem a desvantagem de perder muito calor pelas paredes, dando baixos rendimentos, quando comparados aos fornos de alvenaria. Em Uganda foi desenvolvido um forno metlico, modelo MARK. um forno pequeno, construdo com chapas metlicas de 4,0 mm e com capacidade para cinco estreos de lenha, produzindo 2 MDC por corrida. O tempo total de operao de dois dias, o que permite at 15 corridas por ms. O interessante deste forno que ele constitudo de dois anis e uma cpula, que so desacoplados aps a carbonizao, deixando o carvo sobre o solo. As quatro chamins fazem um rodzio com as entradas de ar, aps a metade do tempo de carbonizao, dando maior homogeneidade s entradas de ar e s sadas de gases. Este tipo de forno muito aconselhado para carbonizao de resduos de madeira, quer provenientes da explorao, quer provenientes da indstria, como serraria e carpintarias.

3.2.6 -

Processos Industriais

3.2.6.1 - Processo Reichert-Lurg________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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Desenvolvido por volta de 1935 e tambm conhecido como processo DEGUSSA, na verdade um processo descontnuo, mas como geralmente na planta de carbonizao so operados vrios fornos de maneira simultnea, prevalece um carter contnuo ao processo como um todo (WENZL, 1970; MONTEIRO, 1979). Na retorta vertical com um volume de 1000 m3, calor introduzido pelo topo, atravs de gases quentes. A velocidade de carbonizao controlada pela vazo e temperatura dos gases de circulao. A carbonizao se inicia no topo da retorta e avana em direo ao fundo, no mesmo sentido de fluxo de gs (ALMEIDA e REZENDE, 1982). Os produtos da destilao so separados dos gases no condensveis ao passarem em resfriadores, separadores de alcatro e lavadores de gases. Parte dos gases no condensveis retirada do sistema para ser usada nos aquecedores de gs ou na secagem da madeira. O gs aquecido, a aproximadamente 480 oC, sai dos aquecedores retornando retorta para fechar o ciclo dos gases. Ao final do perodo de carbonizao (cerca de 18 horas) o carvo descarregado em silos para resfriamento. A secagem da madeira at cerca de 18% de umidade pode ser feita em um outro forno ou na prpria retorta. A secagem na retorta implica no aumento do nmero de fornos por planta ou do volume de cada um dos fornos em 50%, alm de aumentar o ciclo de carbonizao em cerca de 6 horas. Em condies normais, com a umidade em torno de 20 a 25%, seis retortas podem operar com auto-suficincia energtica (ALMEIDA e REZENDE, 1982). Uma dificuldade deste processo a coordenao entre os diferentes tempos de secagem, carbonizao e resfriamento do carvo, para que se obtenha bons rendimentos trmicos. Outra dificuldade a necessidade de grandes equipamentos de condensao e separao dos gases de circulao e produtos de carbonizao (ALMEIDA e REZENDE, 1982).

3.2.6.2 - Processo Sific-LambiotteTrata-se de um processo integrado objetivando a produo de carvo, produtos qumicos e ou combustveis conforme o processamento dado a frao pirolenhosa. O contato direto de gases de reciclo com a carga, utilizado no s para propiciar a troca de calor necessria a secagem final, aquecimento e carbonizao da madeira case do processo FEICHERT-LURGI, mas tambm para promover o resfriamento do carvo. Desde 1947, a Sociedade de Usinas LAMBIOTTE (USL) vem operando a unidade de carbonizao de Premery (Nievre - Frana) para produo de 20.000 t/ano de carvo vegetal. Uma


34

unidade para completar a recuperao e tratamento das fraes pirolenhosas mantida anexa a usina (ALMEIDA e REZENDE, 1982). O teor de umidade da madeira recm-chegada da floresta reduzido at 15% num forno cilndrico vertical, pela ao de gases quentes provenientes da combusto de parte dos gases no condensveis produzidos na pirlise. Tanto a carga, quanto a descarga do forno de secagem so automatizadas. A alimentao feita pelo topo, atravs de um SKIP comandado por um controlador de nvel de madeira no secador. Da descarga do forno de secagem, a madeira colocada em SKIPS, que levam a parte superior do forno de carbonizao. O forno de carbonizao do tipo cilndrico vertical como o secador e pode ser dividido em 3 partes (ALMEIDA e REZENDE, 1982): 1. Parte superior: de alimentao, provida de um compartimento estanque, que impede a entrada de ar e/ou a sada de gs; 2. Parte intermdia: nesta poro ocorre a carbonizao propriamente dita, e a esto localizados os dispositivos de insuflao dos gases quentes e de retomada dos gases e vapores de resfriamento; esses dispositivos foram criados especialmente para permitir ao mesmo tempo uma circulao controlada dos gases e um bom escoamento do carvo vegetal, evitando a formao de pontos quentes; 3. Parte interior: onde ocorre o resfriamento e descarga do carvo. Trata-se de um compartimento estanque, com vlvulas de segurana controladas por cilindros pneumticos externos. Os vapores extrados do forno de carbonizao so resfriados, o licor pirolenhoso separado e os gases condensveis so recuperados. Os gases pirolenhosos so distribudos em 4 direes (ALMEIDA e REZENDE, 1982) 1. Uma parte enviada zona de carbonizao do forno, fornecendo o suplemento de calor necessrio ao processo; 2. Uma segunda parte utilizada no resfriamento do carvo na parte inferior do forno; 3. Uma terceira parte utilizada no forno de secagem;

4. Uma quarta parte excedente ao processo fica disponvel para a gerao devapor. O licor pirolenhoso, contendo gua, alcatro e os chamados cidos pirolenhosos passam por uma srie de tratamentos que permitem a recuperao de vrios produtos________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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qumicos importantes (cido actico, metanol, aromatizantes alimentares, solventes, etc.). Alguns dos produtos podem ser utilizados como combustveis lquidos de mdio poder calorfico (ALMEIDA e REZENDE, 1982)

3.2.6.3 -

Processo IPT O processo foi desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Tecnolgicas do Estado

de So Paulo - IPT. Foi instalada uma planta piloto com capacidade para processar 150 kg/hora de cavacos de madeiras leves (eucalipto e pinus) e at 450 kg/hora de material mais denso (casca de coco de babau e pellets de folhas de eucalipto). Tambm em Teresina (Piau) foi instalada uma planta de demonstrao para processar 1.000 kg/hora de casca de coco de babau. A matria-prima picada ou pelotizada para se obter a granulometria adequada ao seu processamento e ento enviada ao secador para reduo do seu teor de umidade a aproximadamente 10% (ALMEIDA e REZENDE, 1982) A energia consumida na secagem fornecida pelo contato direto de gases quentes provenientes da combusto de parte dos gases no condensveis gerados na pirlise. Do secador a matria-prima levada por transportadores de caamba at o silo de material seco, e da, utilizando um outro transportador de caamba, enviada ao topo do forno de carbonizao. Devido a utilizao de matria-prima e a insuflao de gases quentes na poro intermediria do forno de carbonizao, o ciclo trmico de produo rpido, o que otimiza os rendimentos em condensados. O carvo descarregado pelo fundo do forno de carvoejamento para posterior resfriamento, os volteis so retomados no topo do forno, passando por condensadores para recuperao do alcatro e da frao aquosa, e limpeza do gs no condensvel. O gs no condensvel enviado cmara de combusto e os gases quentes produzidos retornam ao sistema nos pontos em que o suplemento de energia necessrio. A rapidez do ciclo trmico induz produo de um alto percentual de alcatro (29%) em detrimento do rendimento em carvo (22%). Um aquecimento muito rpido da madeira acelera a velocidade da reao de carbonizao, o que provoca uma rpida liberao dos volteis (ALMEIDA e REZENDE, 1982)

3.2.7 -

Forno ContainerO forno container um forno de elevada produtividade quando comparado aos

fornos tradicionais. Este forno foi desenvolvido e est sendo aperfeioado no Laboratrio de Painis e Energia da Madeira da Universidade Federal de Viosa e tem como objetivo


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melhorar a qualidade do carvo produzido, aumentar a produo, humanizar o trabalho, e reduzir os custos. Segundo PIMENTA e BARCELLOS (2000) o sistema possui as seguintes caractersticas: Consiste de um sistema durvel no necessitando de reparos contnuos como os fornos de alvenaria tradicionais, podendo ser parcialmente ou totalmente mecanizado. Possui rpido resfriamento do carvo vegetal (10 horas), contra trs a quatro dias nos sistemas convencionais, Humaniza o trabalho nas carvoarias, porque a carbonizao dura de 8-10 horas, o trabalho pode ser organizado em turnos e o operador no necessita ficar vigiando a carbonizao dia e noite. Os trabalhadores no ficam expostos inalao das emisses poluentes, pois pode-se recuperar o alcatro vegetal e pirolenhosos, utilizando-se o sistema de condensao. Caso no seja de interesse recuperar o alcatro, as fumaas do leito de carbonizao podem ser conduzidas a um queimador e incineradas, gerando calor sensvel, que pode ser aproveitado para gerao de vapor ou secagem de lenha; As caractersticas deste forno quanto melhoria da qualidade do carvo podem ser assim enumeradas: O controle da carbonizao feito por temperatura e no por colorao de fumaas e outros critrios subjetivos, permitindo um controle da qualidade do processo de produo; A descarga mecanizada do carvo reduz a emisso de finos; obtido carvo de boa qualidade no forno container, apresentando o produto, as mesmas propriedades ou melhores (composio qumica, densidade, resistncia mecnica, poder calorfico, etc.) do carvo produzido em fornos de alvenaria ou retorta de laboratrio, com a vantagem de que no forno container no so incorporados minerais estranhos (pedras e terra), como ocorre durante o manuseio do carvo em carvoarias tradicionais; .Podem ser obtidos rendimentos gravimtricos em carvo vegetal, na faixa de 35% a 38% contra de 25% a 33% nos fornos de alvenaria tradicionais; A operao do forno consiste em se encapsular container cheio de madeira dentro do poo isolante iniciar o processo de carbonizao de forma parecida com o forno de superfcie com cmara de combusto externa.________________________________________________________________________________________ Universidade Federal de Viosa Laboratrio de Painis e Energia da Madeira

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Podem ser executadas carbonizaes em at 10 horas e enquanto a carbonizao acontece, o forno est encapsulado dentro do poo de alvenaria. Ao terminar a carbonizao, o container retirado, podendo ocorrer livre troca de calor com o ambiente atravs da camisa metlica, de forma que o carvo rapidamente se resfria. A correta circulao e exausto dos gases garantida por um ventilador que suga a fumaa do leito de carbonizao e a conduz para um sistema de condensao, onde se recupera o alcatro e o pirolenhoso. As figuras 5 e 6 mostram o poo de alvenaria, a cmara de combusto e o forno metlico, o sistema de recuperao de alcatro a fornalha celular e o secador de madeira.


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Figura 5 Esquema geral de funcionamento de um forno container

Figura 6 Fluxo dos gases de carbonizao dentro do sistema de Forno Container


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3.2.8 -

Outros FornosExistem outros fornos que so utilizados ou que esto em desenvolvimento, so

eles: Fornos Retangulares da Vallourec & Mannesman So fornos de grande capacidade volumtrica (200 st), construdos para permitirem carga e decarga mecanizada. Possui o mesmo princpio dos fornos de superfcie, porm, devido ao seu grande tamanho, a cintica de carbonizao bastante irregular dentro do forno, produzindo um carvo com qualidade muito varivel. Possuem sistema de recuperao de alcatro. O tempo de residncia da madeira no forno e da ordem 12 a 15 dias. Fornos de Carbonizao Contnua em Mdulos Horizontais Conforme LCIO (2000) este modelo de forno consiste em diversos reatores interligados entre si por um sistemas de vlvulas, que permitem o fluxo dos gases pelos reatores, secando a madeira carbonizando e resfriando. Permite a utilizao de qualquer tamanho de madeira. Os custos iniciais de um sistema deste est na ordem de 150.000 US$. Segundo o autor as propriedades do carvo so parecidas com as obtidas em retortas de laboratrio. Fornos de Carbonizao Contnua em Mdulos Verticais Este forno consiste em dois reatores verticais sendo um deles em ao inoxidvel, com capacidade mensal de 1250 ton/ms, sendo que no primeiro, a madeira secada e no segundo carbonizada. Segundo SCHOUT (2000) a qualidade do carvo obtida com este sistema a descrita abaixo: Carbono Fixo: Poder calorfico Volteis Cinzas Umidade Tamanho 85 % a 93% 8.100 Kcal a 8.300 Kcal 8-9% At 2% 1 a 5% 3 a 15% As principais limitaes deste sistema so o preo, algo em torno de 2.500.000 US$, e o tamanho das toras que so de 25 a 30 cm de comprimento, exigindo uma grande mo de obra na serragem dos toretes e perda de matria-prima (serragem da madeira).


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4-

Propriedades do Carvo Vegetal

4.1 - Rendimento GravimtricoO rendimento gravimtrico pode ser definido como sendo o rendimento em carvo ao final do processo de carbonizao considerando a matria prima (madeira) como referncia para o clculo. A frmula pode ser assim escrita: RG = [(PMS PC)/PMS]*100 RG = Rendimento Gravimtrico em % PMS = Peso de Madeira Seca (Kg) PC = Peso em Carvo (Kg) Segundo OLIVEIRA (1988) o rendimento gravimtrico possui: Correlao positiva com o teor de lignina total e teor de extrativos. Correlao positiva com densidade bsica da madeira. Considerando que geralmente madeiras com maiores teores de lignina so mais densas, logo estes fatores so em maior ou menor grau interdependentes. Correlao negativa entre largura e dimetro dos lmens das fibras.

Outros fatores importantes para o aumento do rendimento gravimtrico so: Temperatura mxima mdia na faixa dos 400 oC. Taxa de aquecimento lenta.

4.2 - Propriedades QumicasDo ponto de vista da anlise qumica imediata, o carvo vegetal se compe de trs fraes distintas: carbono fixo (CF), matrias volteis (MV) e cinzas (CZ). Conforme discutiremos


41

Quadro 8 - Composio qumica mdia do carvo vegetal - 1981 (Base seca - % do peso) Componentes Mnimo Carbono 74,8 Cinzas 1,8 Materiais Volteis 19,6 Fonte- CETEC/ACESITA (1982) Faixa Mximo 78,1 2,6 23,3 76,4 2,1 21,5 Mdia Anual

4.2.1 -

Carbono FixoO carbono fixo pode ser definido como a quantidade de carbono presente no

carvo. O rendimento em carbono fixo apresenta uma relao diretamente proporcional aos teores de lignina, extrativos e densidade da madeira e inversamente proporcional ao teor de holocelulose. uma funo direta do r

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