UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DE ENGENHARIAS

CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA

Trabalho de Conclusão de Curso

Estimativa do poder calorífico de madeiras de acácia-negra e eucalipto do Município de Pelotas - RS

Carolina Meincke Couto

Pelotas, 2014

CAROLINA MEINCKE COUTO

Estimativa do poder calorífico de madeira de acácia-negra e eucalipto do Município de Pelotas - RS

Trabalho acadêmico apresentado ao Curso de Engenharia Ambiental e Sanitária, da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenheiro Ambiental e Sanitarista.

Orientadora: Profª. Drª. Claudia Fernanda Lemons e Silva Coorientador: Prof. Dr. Rafael Beltrame Pelotas, 2014

Universidade Federal de Pelotas / Sistema de Bibliotecas Catalogação na Publicação

Elaborada por Aline Herbstrith Batista CRB: 10/1737

C871e Couto, Carolina Meincke

Estimativa do poder calorífico de madeira de acácia negra e

eucalipto do município de Pelotas – RS / Carolina Meincke

Couto; Claudia Fernanda Lemons e Silva, orientadora; Rafael

Beltrame, coorientador – Pelotas, 2014.

56 f.: il.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia ambiental e sanitária) – Centro de

Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, 2014.

1.Biomassa. 2.Poder Calorífico. 3.Aproveitamento

Energético. I. Silva, Claudia Fernanda Lemons e, oriente, II.

Beltrame, Rafael, coorient. III. Título.

CDD : 674 CDD: 628.445

Banca examinadora:

Profª. Drª. Claudia Fernanda Lemons e Silva – Centro de Engenharias/UFPel

Prof. Dr. Rafael Beltrame - Centro de Engenharias/UFPel

Prof. Dr. Érico Kunde Corrêa – Centro de Engenharias/UFPel

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar a meus pais, Gladis e Geovani, por todo amor, toda

preocupação, toda a dedicação e todo o apoio dados a mim. Não dedico a vocês

apenas esse trabalho, mas todo o curso e todos os momentos de felicidade e

conquista que tive e terei.

Ao meu noivo e grande amor, Marcelo, por todos os momentos de atenção,

ajuda, tolerância e principalmente carinho e amor.

Agradeço, com muito carinho, ao meu grande amigo Marcus Pilotto, o qual

sempre esteve ao meu lado me apoiando, motivando e alegrando meus dias.

Através dos estudos criamos um laço de amizade o qual desejo que continue para a

vida toda.

Aos professores que aqui me ajudaram, Professora Claudia e Professor

Rafael, mas também a todos que de alguma forma contribuíram para minha

formação.

“Comece fazendo o necessário,

depois, faça o possível,

e logo estarás fazendo o impossível”.

(São Francisco de Assis)

RESUMO

COUTO, Carolina Meincke. Estimativa do poder calorífico de madeiras de

acácia-negra e eucalipto do Município de Pelotas - RS. 2014. 56f. Trabalho de

Conclusão de Curso (TCC). Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária.

Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.

O homem para satisfazer suas necessidades, transforma e altera os recursos

do ambiente, e isso causa a degradação ambiental. A utilização de fontes de energia

não renováveis é um dos fatores que contribuem para o comprometimento do meio

ambiente. A biomassa é uma interessante alternativa para renovar a matriz

energética, pois tem as mais variadas fontes, desde agricultura, florestas, indústrias

e até resíduos urbanos e animais. Assim, o presente trabalho buscou conhecer

algumas das fontes utilizadas para esse fim, suas informações e características.

Dentre as fontes, escolheu-se a madeira para avaliar (aproximando-se de um estudo

de caso) a massa específica básica e o teor de umidade, para posteriormente

estimar o poder calorífico. Para isso selecionou-se cinco estabelecimentos do

município de Pelotas – RS, que utilizam a madeira para a cocção de alimentos. Os

resultados obtidos para o poder calorífico da lenha de acácia, foi em média 2.535

Kwh/m³, para o teor de umidade de 19,77%. Já para a lenha de eucalipto os

resultados foram 1.898,5 KWh/m³, para 23,55% de umidade. Os resultados mostram

que a utilização da madeira para a geração de energia é interessante, porém o uso

de resíduos (como resíduos agrícolas em forma de pellets) pode ser mais

conveniente, pois além de obedecer a Política Nacional dos Resíduos Sólidos, é

mais nobre do que enviá-los para aterros sanitários.

Palavras Chave: Biomassa. Poder calorífico. Aproveitamento energético.

ABSTRACT

COUTO, Carolina Meincke. Estimating the calorific value of firewood acacia and

eucalyptus Municipality of Pelotas - RS. 2014. 56f. Paper of course conclusion.

Graduation in Environmental and sanitary engineering. Federal University of Pelotas,

Pelotas.

The man to satisfy his needs transforms and changes the environment’s resources,

and this causes the environmental degradation. The use of non-renewable energy

sources is one of the factors that contribute to the impairment of the environment.

The biomass is an interesting alternative to renew the energy grid, because it has the

most varied source, from agriculture, forests, industries, and even urban and animal

waste. Therefore, the present paper aimed to know, through bibliographic studies,

some of the sources that can be used for this purpose, its information and

characteristics. Among the sources, the firewood was chosen to evaluate

(approaching a study of case) the basic specific mass and the moisture content to

further estimate the calorific power. For this was selected establishments in the

municipality of Pelotas – RS, which use the firewood to boiling the foods. The

obtained results for the calorific power of acacia firewood were on averaged 2.535

Kwh/m³ for the moistures of 19.77% respectively. Now for the eucalyptus firewood

the results were 1.898,5 KWh/m³, to 23,55 of moisture. The results show that the

use of the firewood for the generation of energy is interesting, however the use of

wastes (as agricultural wastes in the form of pallets) may be more convenient,

because, besides obey the National Politics of Solid Wastes, it is nobler than sending

them to sanitary landfills.

Keywords: Biomass. Calorific power. Energetic utilisation.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO................................................................................... 12

1.1 Objetivos............................................................................................ 14

1.1.1 Objetivo geral..................................................................................... 14

1.1.2 Objetivos específicos......................................................................... 14

2 REVISÃO DE LITERATURA............................................................. 15

2.1 Biomassa........................................................................................... 15

2.2 Biomassa no Brasil............................................................................ 16

2.3 Fontes de biomassa........................................................................... 18

2.3.1 Resíduos sólidos urbanos.................................................................. 18

2.3.2 Resíduos agrícolas............................................................................ 19

2.3.3 Resíduos industriais........................................................................... 21

2.3.4 Biomassa florestal.............................................................................. 21

2.3.4.1 Florestas energética.......................................................................... 21

2.3.4.2 Resíduos florestais............................................................................ 22

2.3.4.3 Carvão vegetal................................................................................... 23

2.3.4.4 Lenha................................................................................................. 24

2.4 Caracterização geral da biomassa.................................................... 25

2.4.1 Estrutura da biomassa....................................................................... 25

2.4.1.1 Propriedades físicas da biomassa..................................................... 26

2.4.1.1.1 Massa específica............................................................................... 26

2.4.1.1.2 Densidade.......................................................................................... 26

2.4.1.1.3 Teor de umidade................................................................................ 27

2.4.1.1.4 Teor de cinzas................................................................................... 27

2.4.1.1.5 Poder calorífico.................................................................................. 28

2.4.2 Tecnologias de aproveitamento de biomassa................................... 28

2.4.2.1 Combustão direta............................................................................... 28

2.4.2.2 Gaseificação...................................................................................... 29

2.4.2.3 Pirólise............................................................................................... 29

2.4.2.4 Liquefação......................................................................................... 30

2.4.2.5 Cogeração......................................................................................... 30

2.4.2.6 Hidrólise............................................................................................. 30

3 METODOLOGIA................................................................................ 31

3.1 Característica do local do estudo....................................................... 31

3.2 Delineamento da pesquisa................................................................ 31

3.3 Coleta e tratamento das amostras..................................................... 32

3.3.1 Determinação do teor de umidade.................................................... 34

3.3.2 Determinação da massa específica básica....................................... 34

3.3.3 Determinação do poder calorífico...................................................... 35

3.3.4 Análise estatística.............................................................................. 36

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................ 37

4.1 Teor de umidade................................................................................ 37

4.2 Massa específica básica.................................................................... 39

4.3 Poder calorífico.................................................................................. 42

5 CONCLUSÕES.................................................................................. 45

REFERÊNCIAS................................................................................. 46

APÊNDICE........................................................................................ 55

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Fontes de biomassa........................................................................... 16

Figura 2 Composição da biomassa vegetal..................................................... 26

Figura 3 Discos das lenhas utilizadas como amostras.................................... 33

Figura 4 Demarcação das cunhas e nomenclaturas........................................ 34

Figura 5 Determinação da massa específica básica....................................... 35

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Disponibilidade de resíduos vegetais.............................................. 20

Tabela 2 Estabelecimentos (E), atividade desenvolvida e espécie florestal utilizada............................................................................................

32

Tabela 3 Análise de variância para o teor de umidade em função dos estabelecimentos de coleta das amostras de madeira....................

37

Tabela 4 Comparação de médias do teor de umidade da madeira para os cinco estabelecimentos de coleta das amostras.............................

38

Tabela 5 Análise de variância para a massa específica básica em função dos estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.............

40

Tabela 6 Comparação de médias da massa específica básica para os cinco estabelecimentos de coleta das amostras.............................

40

Tabela 7 Poder calorífico de alguns resíduos orgânicos................................ 41

Tabela 8 Análise de variância para o poder calorífico em função dos estabelecimentos de coleta das amostras de madeira....................

42

Tabela 9 Comparação de médias do poder calorífico da madeira para os cinco estabelecimentos de coleta das amostras.............................

43

12

1. INTRODUÇÃO

Para satisfazer as necessidades básicas, o homem entra na história como um

ser que transforma e altera o equilíbrio dos recursos naturais, produzindo a

degradação ambiental, a destruição dos ecossistemas e a extinção de espécies

(MAZZOCATO e RIBEIRO, 2013). Entre as características desta degradação

destaca-se o uso de fontes de energia não renováveis, o que representa um fator de

comprometimento do meio ambiente em escala global e local.

A biomassa, como fonte renovável de energia, ganha cada vez mais

importância, à medida que o esgotamento dos recursos fósseis se acentua e os

problemas de poluição ambiental se agravam. Além disso, as questões geopolíticas

nas regiões produtoras de petróleo acentuam certa tendência para a instabilidade

dos abastecimentos e dos preços daquele combustível nos mercados mundiais

(BRITO et al., 2005).

A partir da crise do petróleo na década de 1970, surgiram novos conceitos de

sustentabilidade ambiental, econômica e social estabelecendo-se um novo padrão

ideal de geração e de consumo de energia. Essa transição se faz pela gradativa

substituição de fontes de energia de origem fóssil, principalmente petróleo e seus

derivados, por fontes renováveis e menos poluentes. Tal mudança é impulsionada

principalmente pela progressiva redução das reservas de carbono fóssil, pelos

conflitos entre nações ocasionadas pela detenção e/ou dependência dessas

reservas e também devido aos problemas ambientais decorrentes do uso de

combustíveis não renováveis (SACHS, 2005).

Do ponto de vista ambiental, a sustentabilidade do desenvolvimento depende,

entre outras medidas, da redução das emissões de gases poluentes, da

conservação do solo, da não contaminação das águas, da exploração racional dos

recursos fósseis e dos recursos naturais renováveis. Dentre as atividades humanas,

a produção e o consumo de energia é uma das mais intensivas na utilização de

recursos naturais. Por outro lado, também é uma das principais fontes de emissões

de poluentes (BRASIL - ELETROBRÁS, 1998).

13

Cerca de 20% da energia consumida no mundo provém de fontes

renováveis, sendo que cerca de 13 a 14% é gerada a partir da biomassa e 6 a 7% é

gerada a partir de recursos hídricos. No Brasil, em 1940, 80% da energia consumida

era proveniente de biomassa florestal (madeira) e em 1998, apenas 9%,

evidenciando que houve um significativo decréscimo na participação da madeira

como fonte de energia. No entanto, em termos quantitativos, o consumo não se

alterou significativamente, mostrando que existe um mercado cativo para a utilização

da biomassa como fonte de energia (LIMA e BAJAY, 2000).

O Brasil se destaca neste cenário por possuir uma matriz energética mais

limpa que a maioria dos países, uma vez que a participação de fontes de energia

renováveis no país é maior que as fontes não renováveis. Segundo os dados do

Balanço Energético Nacional de 2013 (ano base 2012), o Brasil manteve vantagens

comparativas com o resto do mundo em termos de utilização de fontes renováveis

de energia. Em 2012, oferta interna de energia renovável foi de 42,4%, enquanto a

média mundial foi de 13,2% e nos países da Organização para Cooperação e

Desenvolvimento Econômico (OECD) foi de apenas 8,0% (BRASIL - MME, 2013).

De acordo com Brand et al. (2009), dentro deste contexto, a biomassa tem as

mais variadas fontes possíveis, desde agricultura, florestas, indústrias e até resíduos

urbanos e animais. No entanto, visto que as florestas, tanto nativas como

implantadas, apresentam grande diversidade de oferecimento de produtos e que nos

sistemas de exploração grande parte da biomassa não é utilizada, considerando os

resíduos florestais, a potencialidade e a conversão destes em energia excedem os

usos originais prospectados. Segundo Cortez et al. (2008), essa fonte energética

está encontrando mercado, em consequência do desenvolvimento tecnológico e dos

baixos custos que representa sua utilização eficiente.

No campo energético, a madeira é tradicionalmente chamada de lenha e,

nessa forma, sempre ofereceu histórica contribuição para o desenvolvimento da

humanidade, tendo sido sua primeira fonte de energia, inicialmente empregada para

aquecimento e cocção de alimentos. Ao longo dos tempos, passou a ser utilizada

14

como combustível sólido, liquido e gasoso, em processos para a geração de energia

térmica, mecânica e elétrica (BRITO, 2007).

O uso da madeira para energia, é um componente de vital importância no

suprimento de energia primária, especialmente no uso doméstico e industrial, nesse

contexto, o trabalho buscou chamar atenção para os resíduos florestais, por

constituírem parte importante na disponibilidade da biomassa, por apresentar

grandes quantidades geradas na colheita e na ação industrial. Além de trazer a

importância da utilização de biomassa para energia, pois apresenta relevância para

o desenvolvimento sustentável, e a preservação do meio ambiente, por ser uma

energia renovável.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo geral

O presente trabalho tem como objetivo avaliar a utilização de biomassa com

fins energéticos e vantagens ambientais. Apresentar um estudo de caso sobre a

estimativa do poder calorífico de madeiras de diferentes espécies, utilizadas como

energia em estabelecimentos comerciais que usam fornos para a cozedura de

alimentos.

1.1.2 Objetivos específicos

Fazer um levantamento, em forma de estudo bibliográfico, das principais

fontes de biomassa utilizadas no Brasil para aproveitamento energético;

Discutir as vantagens e desvantagens de cada fonte de biomassa estudada;

Pesquisar e analisar os métodos utilizados no aproveitamento dos resíduos

para fins energéticos;

Desenvolver um estudo de caso com estabelecimentos da cidade de Pelotas,

que utilizam a lenha para a cocção de alimento, avaliando o poder calorífico

das diferentes espécies de lenha empregadas.

15

2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Biomassa

A Biomassa é definida como todo material orgânico de origem vegetal. Este

material deriva da reação entre gás carbônico (CO2 no ar), água (H2O) e luz solar,

ou seja, pelo processo de fotossíntese, qual armazena fração de energia solar nas

ligações químicas de seus componentes (SOUZA; SORDI; OLIVA, 2002).

Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica,

térmica ou elétrica é classificada como biomassa. De acordo com a sua origem,

pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar,

entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os

derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial

energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para

obtenção dos energéticos (ANEEL, 2008).

Quando os laços adjacentes entre moléculas de carbono, hidrogênio e oxigênio

são quebrados por combustão, digestão, ou decomposição, estas substâncias

liberam sua energia química armazenada. A utilização da biomassa como matéria

prima de conversão depende das propriedades químicas e físicas das moléculas

(MCKENDRY,2002).

A Figura 1 mostra um esquema das fontes de biomassa, onde os vegetais não-

lenhosos e vegetais lenhosos, são os de origem florestal, os resíduos orgânicos,

referem-se aos de origens agrícolas, urbanos e industriais, já a biomassa obtida dos

biofluidos provenientes dos óleos vegetais (por exemplo, mamona e soja).

Segundo Cortez et. al. (2008), a biomassa voltada para fins energéticos, abrange

a utilização desses vários resíduos para a geração de fontes alternativas de energia.

Apresenta diferentes tecnologias para o processamento e transformação de energia,

mas todas as tecnologias de biomassa atualmente usadas no mundo possuem dois

16

problemas cruciais: o custo da biomassa e a eficiência energética de sua cadeia

produtiva.

Figura 1 – Fontes de Biomassa

Fonte: Ministério de Minas e Energia, 1982.

2.2 Biomassa no Brasil

Entre 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 do país, em substituição

aos combustíveis fósseis, como petróleo e carvão, por exemplo (PORTAL BRASIL,

2011).

A geração de energia elétrica no Brasil provém essencialmente de duas

fontes energéticas, o potencial hidráulico e o petróleo, com grande predominância da

17

primeira. Apesar da importância dessas fontes, o Brasil dispõe de várias alternativas

para geração de energia elétrica, dentre as quais aquelas derivadas da biomassa.

Em relação à biomassa, particularmente, há uma grande variedade de recursos

energéticos, desde culturas nativas até resíduos de diversos tipos. No entanto, a

pouca informação a respeito do potencial energético desses resíduos limita o seu

efetivo aproveitamento (BRASIL-ANEEL, 2002).

Segundo a pesquisa realizada pela IEA Bioenergy Task 40 - divisão

especializada em bioenergia da Agência Internacional de Energia - aponta que o

Brasil é o país que mais utiliza biomassa na produção de energia, sendo16% do uso

mundial no setor. Em seguida estão os EUA (9%) e Alemanha (7%). Conforme

material publicado, os 15 países do topo dessa lista representam 65% do uso global

de biomassa na matriz energética. Atualmente, a biomassa representa cerca de 10%

da produção de energia global (JORNAL DA ENERGIA, 2013).

De acordo com o Banco de Informações de Geração da Agência Nacional de

Energia Elétrica (Aneel), em novembro de 2008 existam, no Brasil, 302 termelétricas

movidas a biomassa no país que correspondem a um total de 5,7 GW (gigawatts)

instalados. Do total de usinas relacionadas, 13 são abastecidas por licor negro

(resíduo da celulose) com potência total de 944 MW; 27 por madeira (232 MW); três

por biogás (45MW); quatro por casca de arroz (21 MW) e 252 por bagaço de cana (4

mil MW) (BRASIL – ANEEL, 2008).

Dados do Balanço Energético Nacional (edição 2003) revelam que a participação

da biomassa na matriz energética brasileira é de 27%, a partir da utilização de lenha

de carvão vegetal (11,9%), bagaço de cana-de-açúcar (12,6%) e outros (2,5%). O

potencial autorizado para empreendimentos de geração de energia elétrica, de

acordo com a ANEEL, é de 1.376,5 MW, quando se consideram apenas centrais

geradoras que utilizam bagaço de cana-de-açúcar (1.198,2 MW), resíduos de

madeira (41,2 MW), biogás ou gás de aterro (20 MW) e licor negro (117,1 MW)

(AMBIENTE BRASIL, 2004).

Lora e Andrade, (2004) apud Soares et al (2006), apontam que tanto em escala

mundial como no Brasil, o potencial energético da biomassa é enorme, podendo se

18

tornar uma das soluções para o fornecimento de eletricidade em comunidades

isoladas, incentivando o desenvolvimento de atividades extrativistas sustentáveis

que contribuam para o desenvolvimento destas comunidades.

2.3 Fontes de biomassa

2.3.1 Resíduos sólidos urbanos

Segundo a Norma Brasileira 10.004 resíduos são aqueles que:

Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível (BRASIL - ABNT, 1987).

Já a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) – Lei Federal nº 12.305 de

agosto de 2010, define resíduos como:

Material, substância, objeto ou bem descartado resultante de atividades humanas em sociedade, a cuja destinação final se procede, se propõe proceder ou se está obrigado a proceder, nos estados sólido ou semissólido, bem como gases contidos em recipientes e líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou em corpos d’água, ou exijam para isso soluções técnica ou economicamente inviáveis em face da melhor tecnologia.

A quantidade de resíduos sólidos produzida atualmente no mundo é muito

grande e seu mau gerenciamento, além de provocar gastos financeiros significativos

e sérios danos ao meio ambiente, pode comprometer a saúde e o bem-estar da

população (SILVA et. al, 2010).

O volume de resíduos produzido no Brasil foi de 273 mil toneladas por dia em

2013 (BRASIL – CAMARA DO DEPUTADOS, 2013), se o país continuar avançando

lentamente no setor e, se não acelerar o ritmo, terá apenas 60% de seu resíduo

sendo destinado corretamente em 2014 (SPITZCOVSKY, 2013). Embora o excesso

de resíduo sólido seja um problema, seu manejo, se devidamente administrado,

19

pode se transformar em solução. O gerenciamento integrado de resíduos sólidos

urbanos pode conservar e gerar energia (BRASIL – SECRETARIA DA ENERGIA,

2014).

A geração pode ocorrer por vários processos, como a queima do biogás

recuperado dos aterros sanitários, a incineração ou a gaseificação – todos utilizados

como combustível. Caso fosse totalmente aproveitado, estima-se que o potencial de

geração de energia de todo o lixo seria suficiente para abastecer em 30% a

demanda de energia elétrica atual do Brasil (BRASIL – SECRETARIA DA ENERGIA,

2014).

Os RSU no Brasil são ricos em matéria orgânica - cerca de 50% a 60% - o

que ofereceria oportunidades importantes na geração de energia e na

compostagem, em vez da solução geralmente aceita, que é a disposição em aterros

sanitários. Em países desenvolvidos, as diretrizes são opostas, pois o Landfill

Directive da União Européia (UE) já recomendava a redução drástica do envio de

materiais biodegradáveis para aterros sanitários até o ano de 2006, com o objetivo

de erradicar totalmente o aterramento desses materiais. Na UE, a potência instalada

a partir de RSU em 2000 era de 8.800 MW (8.8 GW) (BRASIL – MMA, 2014).

O teor de matéria orgânica (C, H, O, N) do resíduo brasileiro está em 60%

aproximadamente, o que lhe confere bom potencial energético. O Poder Calorífico

Inferior (PCI) médio do resíduo domiciliar é de 1.300 kcal/kg (5,44 MJ/kg) (CORTEZ,

2008).

2.3.2 Resíduos agrícolas

O Brasil é considerado como um dos maiores produtores agrícolas devido à

várias razões, desde a disponibilidade de área para cultivo, possibilidade de

introdução de culturas variadas à posição geográfica (condições climáticas

adequadas), além de sua rica biodiversidade e tecnologia avançada, afigura-se,

portanto como um fornecedor com potencial altíssimo de matérias primas (resíduos)

para a produção de bioenergia (VIEIRA, 2012).

20

Os resíduos de origem agrícola são aqueles que têm origem nas atividades

agrícolas e de pecuária. Incluem embalagens de fertilizantes e de defensivos

agrícolas, rações, restos de colheita e esterco animal. As embalagens de produtos

agroquímicos, geralmente altamente tóxicos, têm sido alvo de legislação específica

quanto aos cuidados para com a sua destinação final (PAVAN, 2010).

Segundo Nonhebel (2007) apud Viera (2012) as biomassas mais significativas

com relação a energia, são aquelas obtidas de culturas energéticas e resíduos

agrícolas, estes originam-se de material vegetal gerados no sistema de produção de

outros produtos. A tabela 01 mostra a produção agrícola assim como a quantidade

de resíduos que a mesma gera.

A cana-de-açúcar é a matéria-prima de maior produção em todo o mundo,

produção esta encabeçada pelo Brasil com quase 400 milhões (Mt) de produção

anual, seguido por Índia, China, Tailândia, Paquistão e México. A China é o maior

produtor de arroz (187 milhões de Mt), os Estados Unidos são o maior produtor de

milho (300 milhões de Mt) e de soja (86 milhões de Mt), a União Européia é a maior

produtora de beterraba com quase 127 milhões de Mt. A Europa e os Estados

Unidos são os principais concorrentes do maior produto energético obtido da

biomassa, o álcool da cana-de-açúcar, já que a beterraba e o milho são utilizados

por esses países para a obtenção do produto emergente (CORTEZ, 2008).

Tabela 1: Disponibilidade de Resíduos Vegetais

* IBGE 2004 ** Nogueira et al (2000) *** Calculado em base seca

Matéria Prima Produção

Agrícola (tons)*

Produção de

Resíduos (t/há)**

Produção Total de

Resíduos (tons)***

Cana (Bagaço) 396.012.158 7.0 – 13.0 59.401.824

Arroz (Casca) 10.334.603 4.0 – 6.0 2.937.094

Mandioca (Rama) 21.961.082 6.0 – 10.0 6.542.206

Miliho (Palha e Sabugo) 48.327.323 5.0 – 8.0 64.028.870

Soja (Resto da Cultura) 51.919.440 3.0 – 4.0 80.746.839

21

2.3.3. Resíduos Industriais

Segundo a Norma Regulamentadora N.º 25 (NR 25), estabelecida pela

portaria n.º 227 de 24 de maio de 2011, entende-se como resíduos industriais

aqueles provenientes dos processos industriais, na forma sólida, líquida ou gasosa

ou combinação dessas, e que por suas características físicas, químicas ou

microbiológicas não se assemelham aos resíduos domésticos, como cinzas, lodos,

óleos, materiais alcalinos ou ácidos, escórias, poeiras, borras, substâncias lixiviadas

e aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem

como demais efluentes líquidos e emissões gasosas contaminantes atmosféricos.

Os resíduos são originados nas atividades dos diversos ramos da indústria,

tais como: o metalúrgico, o químico, o petroquímico, o de papelaria, da indústria

alimentícia, etc. (KRAEMER, 2005). O resíduo industrial é bastante variado,

podendo ser representado por cinzas, lodos, óleos, resíduos alcalinos ou ácidos,

plásticos, papéis, madeiras, fibras, borrachas, metais, escórias, vidros e cerâmicas.

Nesta categoria, inclui-se a grande maioria do resíduo considerado perigoso. Esse

tipo de lixo necessita de tratamento especial pelo seu potencial de envenenamento

(BRASIL, 2004).

Segundo Cortez (2008), dos 5.471 municípios do país, apenas 551 fizeram o

controle dos resíduos gerados pelo setor produtivo privado em 2003, e foram 1,4

milhão de toneladas de resíduos gerados somente nos principais pólos industriais do

Brasil. De acordo com esse estudo, são geradas anualmente no Brasil

aproximadamente 2,9 milhões de toneladas de resíduos sólidos industriais, sendo

600 mil toneladas, um valor próximo de 22%, que recebem tratamento adequado.

2.3.4 Biomassa florestal

2.3.4.1 Florestas energéticas

Termo utilizado a partir da década de 1980 para definir as plantações com

grande número de árvores por hectare e, consequentemente, com ciclo curto, que

22

tinha como finalidade a produção do maior volume de biomassa por área em menor

espaço de tempo. (MAGALHÃES, 1982).

Segundo dados da Associação Brasileira de Produtores de Florestas

Plantadas (Abraf), dos 8,5 milhões de Km² do território brasileiro, aproximadamente

63,7% são cobertos por florestas nativas, 23,2% ocupados por pastagens, 6,8% pela

agricultura, 4,8% pelas redes de infraestrutura e áreas urbanas, 0,9% pelas culturas

permanentes e apenas 0,6% por florestas plantadas (BRASIL – ABRAF, 2012).

As florestas energéticas são plantadas com o objetivo de evitar a pressão do

desmatamento sobre as florestas naturais. Elas contribuem também para o

fornecimento de biomassa florestal, lenha e carvão de origem vegetal. Além disso, o

reflorestamento para uso energético diminui a pressão sobre as florestas nativas e

desempenha importante papel na utilização de terras degradadas (BRASIL -

SEBRAE, 2014).

2.3.4.2 Resíduos florestais

A biomassa florestal, essencialmente é uma forma de energia solar

armazenada, as árvores usam a luz solar, na fotossíntese, para converter o dióxido

de carbono (CO2) e água (H2O) em produtos de alto teor energético, que são os

carboidratos e oxigênio (KARCHESY e KOCH, 1979).

A biomassa florestal, para fins energéticos, pode ter origem diretamente na

floresta, onde são considerados todos os materiais orgânicos que sobram na floresta

após a colheita. Podemos citar sobras de madeira, com ou sem casca, os galhos

grossos e finos, as folhas, os tocos, as raízes, a serapilheira e a casca (PULITO e

JUNIOR, 2009). Na indústria transformadora de madeira onde são gerados uma

enorme quantidade e diversidade de sub-produtos e resíduos, nomeadamente,

casca, serrim, retestos e produtos rejeitados. Por último pode ser oriunda de

produtos lenhosos em fim de vida cuja fonte é diversa, desde a contrução civil,

atividades agro-florestais e o setor dos serviços (MALHEIRO, 2011).

23

Os resíduos florestais constituem parte importante na disponibilidade da

biomassa em alguns países pelas grandes quantidades geradas na colheita e na

ação industrial. Essa fonte energética está encontrando mercado, em consequência

do desenvolvimento tecnológico e dos baixos custos que representa sua utilização

eficiente (CORTEZ, 2008).

Segundo Quirino (2003) os resíduos florestais podem ser reciclados e

reutilizados como matéria-prima em um processo diferente daquele de origem como,

por exemplo, ser utilizado energeticamente na produção de calor, de vapor ou de

eletricidade em grupos geradores ou termelétricas. Outro aproveitamento desse

resíduo é sob a forma de combustível sólido, como o carvão vegetal que é utilizado

nas indústrias siderúrgicas como termo-redutor ou como um carvão ativo. O carvão

também pode ser gaseificado, transformando-se em um combustível gasoso ou

utilizado como gás de síntese.

Os resíduos de madeira diretamente da floresta, contribuem positivamente na

substituição de 14-27 milhões de tep.ano-1. Os biocombustíveis, incluindo resíduos

florestais, tornam-se mais concorrentes ao passo que aumenta o preço dos

combustíveis fósseis no mercado mundial (BALAT, 2006 apud MENEZES, 2013).

Iniciativas como preços fixos e subsídios para a colheita de biomassa florestal

a ser utilizada como combustível contribui para o crescimento econômico e tornam

estas fontes renováveis mais competitivas. Assim, o uso da biomassa como fonte de

energia limpa vem ganhando importância ao passo que as estratégias de política

nacional de energia concentram-se em fontes renováveis e de conservação

(DEMIRBAS et al., 2009).

2.3.4.3 Carvão vegetal

A produção de carvão vegetal ocorre pela carbonização da madeira em fornos

de alvenaria, em processos dispersos, pouco mecanizados e altamente

dependentes de trabalho humano. A produção de carvão vegetal no Brasil provém,

predominantemente, da exploração de florestas nativas, apesar do aumento da

importância do carvão de origem plantada (AMS, 2007).

24

O consumo do carvão vegetal está diretamente relacionado ao setor

industrial, em especial à indústria siderúrgica. O setor industrial consumiu 8,7

milhões de toneladas de carvão vegetal em 2005, 90,5% do total. As atividades

industriais que mais consomem o carvão vegetal são a produção do ferro-gusa

(84,9%), a produção de ferro liga (10,1%) e a fabricação de cimento (4,4%)

(BRASIL, 2006 apud UHLIG, 2008). O comércio de carvão vegetal em 2005 totalizou

5,5 milhões de toneladas e gerou 1,7 bilhões de reais em vendas (IBGE, 2006)

2.3.4.4 Lenha

No campo energético, a madeira é tradicionalmente chamada de lenha e,

nessa forma, sempre ofereceu histórica contribuição para o desenvolvimento da

humanidade, tendo sido sua primeira fonte de energia, inicialmente empregada para

aquecimento e cocção de alimentos. Ao longo dos tempos, passou a ser utilizada

como combustível sólido, liquido e gasoso, em processos para geração de energia

térmica, mecânica e elétrica (BRITO, 2007).

O consumo de lenha está associado à disponibilidade de vegetação. Em

2005, existiam 3,95 bilhões de hectares de florestas, que correspondem a 30,3% da

superfície terrestre (FAO, 2006). O volume de madeira atualmente consumido para

energia é da ordem de 220 milhões de metros cúbicos anuais (BRASIL – MME,

2007), sendo que seu consumo como matéria-prima industrial atinge 142,7 milhões

de metros cúbicos, compreendendo a produção de celulose e papel, serrarias,

chapas e painéis. Desse modo, conclui-se que 69% da madeira usada no Brasil têm

destinação energética, o que sem nenhuma contestação, representa o maior volume

de madeira vinculada a um determinado uso no país (AMS, 2014).

A FAO (2006) estima que, em 2005, 1,5 bilhão de m³ st foi utilizado como

lenha, porém reconhece que existe uma quantidade de madeira retirada

informalmente (ou ilegalmente) que não é contabilizada e, portanto o consumo de

lenha é seguramente maior. Por se tratar de uma fonte de energia de baixo custo,

não necessitar de processamento antes do uso e ser parte significativa da base

25

energética dos países em desenvolvimento, tem recebido a denominação de

“energia dos pobres”, chegando a representar até 95% da fonte de energia em

vários países.

2.4 Caracterização geral da biomassa

A caracterização da biomassa é quem determina a escolha do processo de

conversão e as dificuldades de processamento sub sequentes que possam surgir

(VIEIRA, 2012).

2.4.1 Estrutura da biomassa

Basicamente a Biomassa é um hidrocarboneto, qual possui átomos de

oxigênio na sua composição química, diferentemente dos combustíveis fósseis. A

presença desse átomo faz com que a biomassa requeira menos oxigênio do ar,

sendo menos poluente, mas consequentemente sua quantidade de energia a ser

liberada é reduzida, diminuindo assim o seu Poder Calorífico Superior (ECKERT et

al., 2013).

A celulose, hemicelulose e lignina são os principais componentes da

biomassa vegetal, sendo que o teor de celulose varia de 40 a 50%, a hemicelulose

de 20 a 40% e o teor de lignina de 25% (MARTINI, 2009), conforme representado na

figura 2.

26

Figura 2: Composição da Biomassa Vegetal

Fonte: Nogueira, 2007

2.4.1.1 Propriedades físicas da biomassa

2.4.1.1.1 Massa específica

A Massa específica pode ser dividida em massa específica ou massa

específica aparente (VIEIRA, 2012). A Massa Específica de uma substância é a

razão entre a massa de uma quantidade da substância e o volume correspondente

(PRÄSS, 2013).

Quando a matéria é continua (não existem descontinuidades), esta representa

Massa Específica Aparente. Porém para resíduos este conceito não se aplica, pois

existem vários pedaços do mesmo material ocupando o mesmo volume

(NOGUEIRA; RENDEIRO; ECKERT et al., 2013).

2.4.1.1.2 Densidade

Define-se densidade como a razão entre a massa específica da biomassa

pela massa específica da água (pH2O) na condição padrão (25°C e 100 kPa), ou

seja 1000 kg/m3 como pode ser observado na equação 02 (NOGUEIRA;

27

RENDEIRO; VIEIRA, 2012).

(01)

2.4.1.1.3 Teor de umidade

O teor de umidade, indica a quantidade de água presente no material,

(QUIRINO et al., 2005). Sua determinação é de grande importância, pelo fato de que

a água apresenta um poder calorífico negativo, uma vez que necessita de calor para

evaporá-la (BRITO; BARRICHELO, 1979).

Teor de umidade pode ser definido como a massa de água contida na

biomassa e pode ser expressa tanto na base úmida quanto na base seca, qual pode

ser avaliada pela diferença entre os pesos de uma amostra, antes e logo após ser

submetida à secagem (NOGUEIRA, 2003).

2.4.1.1.4 Teor de cinzas

Conforme Nogueira e Rendeiro (2008), citado por Vieira (2012), os resíduos

resultantes da combustão dos componentes orgânicos e oxidações dos inorgânicos

são caracterizadas como teor de cinzas. Assim, as cinzas são resultadas da

combustão da biomassa, a qual se processa em altas temperaturas, tornando-se

necessário conhecimento do comportamento destas cinzas para evitar operações

inadequadas. As mesmas podem originar-se de elementos metálicos já presentes no

combustível; de argila, areia e sais que possam estar na biomassa e ainda por solos

misturados a biomassa durante sua colheita ou manuseio.

As cinzas vegetais contêm cálcio, magnésio, fósforo e outros elementos,

alguns essenciais para o desenvolvimento dos seres vivos, como Cu, Zn, Mg e B

(OSAKI e DAROLT, 1991). Quando em alta concentração podem diminuir o poder

calorífico (PC), podem ainda causar perda de energia e sua presença afeta também

a transferência de calor sendo, portanto necessário a remoção das mesmas

(STREHLER, 2000; KLAUTAU, 2008; VIEIRA, 2012).

28

2.4.1.1.5 Poder calorífico

O Poder Calorífico é a quantidade de calor liberada pela combustão completa

da unidade de massa (ou volume) do combustível (QUIRINO, 2011). Quando ocorre

combustão completa de uma unidade de combustível este libera energia térmica e é

geralmente medido em termos da energia por conteúdo por unidade de massa ou

volume, daí Mj/kg (sólidos), a Mj/l para líquidos e por fim para gases para Mj/Nm3.

De uma maneira geral, essa propriedade depende da composição da biomassa e do

seu grau de umidade (NOQUEIRA, 2003 apud VIEIRA, 2012).

O poder calorífico é dito superior (PCS) quando a combustão se efetua a

volume constante e a água formada na combustão é condensada (CÔTÉ, 1968;

SANTOS, 2012). Já o poder calorífico inferior (PCI) é resultante da combustão sob

pressão constante, ao ar livre, sem a condensação da água formada (DOAT, 1977)

e desse modo, seu valor é menor que a PCS (SANTOS, 2012).

Tanto o Poder Calorífico Superior (PCS) ou Inferior (PCI) de uma determinada

biomassa é a propriedade físico-química mais importante a considerar para a

escolha de um processo termoquímico (CARIOCA, 1985; FILHO, 2009; VIEIRA,

2012).

2.4.2 Tecnologias de aproveitamento da biomassa

2.4.2.1 Combustão direta

Combustão é a transformação da energia química dos combustíveis em calor,

por meio das reações dos elementos constituintes com o oxigênio fornecido. Para

fins energéticos, a combustão direta ocorre essencialmente em fogões (cocção de

alimentos), fornos (metalurgia, por exemplo) e caldeiras (por exemplo). Embora

muito prático e, às vezes, conveniente, o processo de combustão direta é

normalmente muito ineficiente. Outro problema da combustão direta é a alta

umidade (20% ou mais no caso da lenha) e a baixa densidade energética do

combustível (lenha, palha, resíduos etc.), o que dificulta o seu armazenamento e

transporte (ANEEL, 2005).

29

2.4.2.2 Gaseificação

Gaseificação é um processo de conversão de combustíveis sólidos em

gasosos, por meio de reações termoquímicas, envolvendo vapor quente e ar, ou

oxigênio, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a

combustão) (ANEEL, 2005).

Nos processos mais simples, o gás resultante contém cerca de 30% de

nitrogênio e 20% de CO2, o que significa um combustível de baixo conteúdo

energético (cerca de 900 kcal/m3) e impróprio para certos fins. Contudo, as

vantagens da eliminação de poluentes tende a compensar o processo, de modo que

o combustível resultante pode ser de grande importância para uso local. (SANCHEZ;

LORA; GÓMEZ, 1997).

2.4.2.3 Pirólise

A pirólise ou carbonização é o mais simples e mais antigo processo de

conversão de um combustível (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e

conteúdo energético (carvão, essencialmente). O processo consiste em aquecer o

material original (normalmente entre 300°C e 500°C), na “quase ausência” de ar, até

que o material volátil seja retirado. O principal produto final (carvão) tem uma

densidade energética duas vezes maior que aquela do material de origem e queima

em temperaturas muito mais elevadas. Além de gás combustível, a pirólise produz

alcatrão e ácido piro-lenhoso (CENBIO, 2013).

Nos processos de pirólise rápida, sob temperaturas entre 800°C e 900°C,

cerca de 60% do material se transforma num gás rico em hidrogênio e monóxido de

carbono, o que a torna uma tecnologia competitiva com a gaseificação. Todavia, a

pirólise convencional (300°C a 500°C) ainda é a tecnologia mais atrativa, devido ao

problema do tratamento dos resíduos, que são maiores nos processos com

temperatura mais elevada (RAMAGE; SCURLOCK, 1996).

30

2.4.2.4 Liquefação

A transformação da biomassa, ou outras fontes fósseis de carbono, em

produtos majoritariamente líquidos recebe o nome de liquefação. A liquefação pode

ser direta ou indireta. Esta última consiste em produzir gás de síntese, CO + H2, por

gaseificação e, com catalisador, transformá-lo em metanol ou hidrocarboneto. Já o

processo direto se dá em atmosfera redutora de hidrogênio ou mistura de hidrogênio

e monóxido de carbono, sendo, portanto, uma forma de pirólise (BOYLES, 1984;

SOLTES, 1986; ROCHA, 1997).

2.4.2.5 Cogeração

O processo de cogeração é a geração simultânea de energia térmica e

mecânica, a partir de uma mesma fonte primária de energia. As formas de energia

útil mais frequente são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e

turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor).

A energia mecânica pode ser utilizada na forma de trabalho, por exemplo, no

acionamento das moendas em usinas sucroalcooleiras, ou transformada em energia

elétrica através de geradores de eletricidades. A energia térmica é utilizada neste

setor como fonte de calor para processos em geral (CENBIO, 2013).

2.4.2.6 Hidrólise

Hidrólise é a “quebra” da biomassa lignocelulósica, que é composta por

polissacarídeos em açúcares menores para eventual fermentação e produção de

etanol. Os processos de conversão do material lignocelulósico em etanol são

diferenciados principalmente quanto aos métodos de hidrólise e fermentação,

estágios esses que estão menos amadurecidos tecnologicamente. Os processos de

hidrólise podem ser divididos em duas categorias: aqueles que usam os ácidos

minerais (diluído ou concentrado), como por exemplo o ácido sulfúrico, e os que

usam enzimas (MOREIRA 2005; CEMBIO 2013).

31

3. METODOLOGIA

A realização deste estudo aproxima-se de um estudo de caso, pois segundo

Cesar (2006), o método do Estudo de Caso enquadra-se como uma abordagem

qualitativa e é frequentemente utilizado para coleta de dados na área de estudos

organizacionais. Ventura (2007), diz que com este procedimento pode adquirir

conhecimento do fenômeno estudado a partir da exploração intensa de um único

caso.

3.1 Características do local de estudo

O estudo foi desenvolvido no Município de Pelotas no Estado do Rio Grande

do Sul, com latitude de 31º46'19" e longitude 52º20'33”, população de

aproximadamente 323.000 habitantes, sendo 300.000 na zona urbana, ficando entre

as cidades mais populosas do estado.

O município conta com os três setores da economia (primário, secundário e

terciário), sendo que, em 2004, possuía 707 unidades empresariais ligadas a

alimentação e alojamento, onde algumas dessas empresas do setor de alimento,

como panificadoras e restaurantes, ainda utilizam a lenha para a cocção de seu

alimento. Foram escolhidos como locais, para o estudo, restaurantes e panificadoras

que possuem tradição no uso de forno a lenha para preparação de seus alimentos, e

que utilizam isso como um diferencial.

3.2 Delineamento da pesquisa

A pesquisa buscou estimar o poder calorífico referentes as espécies florestais

usadas como energia na cozedura dos alimentos de panificadora e restaurantes

(parillas e pizzarias) da Cidade de Pelotas. Diante disso, obter informações dos tipos

e qualidade das espécies utilizadas.

32

Dessa forma a fonte para coleta das amostras de madeira foram os próprios

estabelecimentos, que cederam algumas de suas toras para o estudo. Assim foram

identificadas as espécies florestais utilizadas como energia, suas densidades, e os

teores de umidade, para posteriormente estimar ao poder calorífico.

3.3 Coleta e tratamento das amostras

Em cinco estabelecimentos, coletou-se, aleatoriamente, cinco amostras de

toras de madeira (com casca), usadas para a produção de energia (para cozimento).

Em três dos estabelecimentos foram arrecadadas amostras de acácia negra e nos

outros dois locais foram coletadas amostras de Eucalyptus spp., vide tabela 02.

Tabela 02: Estabelecimentos (E), atividade desenvolvida e espécie florestal utilizada

Estabelecimento Atividade

Desenvolvida

Espécie

Florestal

E1 Parrilla Acácia Negra

E2 Pizzaria Acácia Negra

E3 Panificadora Acácia Negra

E4 Panificadora Eucalipto

E5 Panificadora Eucalipto

Em cada um dos estabelecimentos foi aplicado um questionário com

perguntas a respeito do tempo de armazenamento, características da madeira e se o

local já havia utilizado alguma outra espécie, para que posteriormente pudesse ser

feita a relação dos resultados com os dados obtidos nas questões. O questionário

segue em anexo (Anexo 1).

Após a coleta das amostras, as mesmas foram encaminhas ao Laboratório de

Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira, do curso de Engenharia Industrial

Madeireira da Universidade Federal de Pelotas.

No laboratório, com o auxílio de uma serra circular, retirou-se as extremidades

das toras, pois essas perdem umidade por estarem diretamente em contato com o

33

meio. Em seguida foram retirados três discos da mesma amostra, de

aproximadamente 50 mm, serrados separadamente ao longo da tora (vide Figura 3).

Posterior, com um lápis cópia, demarcou-se cada disco no formato de 4

cunhas, onde duas das cunhas (opostas) foram utilizadas para a medição de massa

específica básica e outras duas cunhas para o teor de umidade. Para a demarcação

das cunhas utilizou-se de nomenclaturas inicial do estabelecimento e o destino da

utilização, conforme representado na Figura 4. Para a confecção das cunhas, usou-

se ainda a serra, obedecendo à demarcação feita anteriormente.

Figura 3: Discos das lenhas utilizadas como amostras.

34

Figura 4: Demarcação das cunhas e nomenclaturas.

3.3.1 Determinação do teor de umidade

Para a determinação do Teor de Umidade, utilizou-se uma balança analítica

de precisão, onde aferiu-se o peso inicial de cada cunha, pré-determinadas, como

explicada anteriormente. Após a anotação dos pesos das amostras, as mesmas

foram encaminhadas para estufa, onde permaneceram por uma semana a uma

temperatura de 103ºC, para obter o peso seco da peça de madeira, através de uma

nova pesagem. Tanto o peso seco como o peso inicial foram registrados em

formulário específico para cada corpo de prova. Com o peso inicial (PU) da madeira

e o peso seco (PO) da peça, determinou-se o TU através da equação 02, abaixo:

(02)

3.3.2 Determinação da massa específica básica

Para a obtenção da massa específica básica, as amostras foram

primeiramente submersas em água por um período de 45 dias, com o objetivo de

que atingissem peso saturado, para posterior determinação do volume pelo método

de empuxo (deslocamento por imersão em água), conforme sugerido por Vital

(1984), vide Figura 5.

35

Após a obtenção do volume, colocaram-se os corpos de prova em uma estufa

a uma temperatura de 103ºC, por 72 horas, sendo então pesados novamente,

obtendo assim o peso seco correspondente. Tanto o peso seco como o volume

foram registrados em formulário específico para cada corpo de prova. Para a

obtenção dos valores de Massa Específica Básica, expressa em gramas por

centímetros cúbicos, avaliou-se o peso seco (PS) da madeira em relação ao volume

úmido (Vu), através da equação 03, sugerida por Präss, 2013.

(03)

Figura 5: Determinação da massa específica básica

3.3.3 Determinação do poder calorífico

Para o cálculo da estimativa do poder calorífico, usou-se uma modificação da

equação sugerida por Nock et al (1975), adaptada por Gatto (2002), para espécies

florestais, conforme a Equação 4:

36

(04)

Em que: Pci = poder calorífico inferior (Kwh/m³); MBás = massa específica básica

(Kg/m³); Tu = teor de umidade (%).

3.3.4 Análise estatística

Para a análise estatística dos dados, utilizou-se primeiramente análise de

variância de cada um dos parâmetros (teor de umidade, massa específica básica e

poder calorífico) em função dos estabelecimentos que as amostras foram coletadas.

Para isso utilizou-se o programa estatístico STATGRAPHICS Centurion XVI Versão

16.1.15. Para os parâmetros que apresentam diferença significativa de 1%, aplicou-

se, no mesmo programa, o teste de comparação de médias, pelo método LSD

(Least Significant Difference), a um nível de significância de 5%

37

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para a avaliação do poder energético da madeira em estudo, levou-se em

consideração o teor de umidade, massa específica básica e o poder calorífico, para

as duas espécies em estudo, Acácia e Eucalipto. Junge (1975), Arola (1976) e

Corder (1976), itados por Brito & Barrichelo (1978) indicam essas propriedades

como as mais importantes da madeira para sua utilização como combustível.

4.1 Teor de umidade

O teor de umidade foi analisado por ser uma das características que

influenciam diretamente no poder calorífico da madeira, pois esta diminui o calor

liberado pela combustão.

Os resultados da análise de teor de umidade estão apresentados na Tabela 3,

conforme a análise de variância do teor de umidade em função dos

estabelecimentos, onde esta variável apresentou diferença significativa ao nível de

1% de probabilidade. Com isso foi aplicada análise de comparação de médias,

através do teste Least Significant Difference (LDS), conforme representado na tabela

4.

Tabela 3: Análise de variância para o teor de umidade em função dos

estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.

FV GL SQ QM F Prob.>F

Estabelecimentos 4 908,728 227,18 8,04 0,000*

Erro 66 1864,98 28,257

Total 70 2773,71

Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM = Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo ao nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.

A análise de comparação de médias do teor de umidade, apresentados na

tabela 4, demostra que os estabelecimentos 1, 2, 3 e 5 não apresentaram diferença

significativa para o teste aplicado, com 5% de significância, diferenciando-se apenas

do E4.

38

Tabela 4. Comparação de médias do teor de umidade da madeira para os cinco

estabelecimentos de coleta das amostras.

Estabelecimento CP TU (%) LSD

E1 12 18,77 A

E2 15 18,73 A

E3 15 21,86 A

E4 15 27,93 B

E5 14 19,05 A

CP = número de corpos-de-prova; TU= teor de umidade da madeira; médias seguidas por letras iguais não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.

Os teores de umidade apresentados estão próximos ou abaixo do ponto de

saturação das fibras, onde este é de 28%, (SILVA e OLIVEIRA. 2003). De acordo

com Barboza (2003), as madeiras que apresentam teor de umidade acima do ponto

de saturação das fibras implica em maiores custos no transporte do material, além

de ocasionar rendimento energético menor. Ainda Barboza (2003), descreve que as

madeiras que estejam abaixo do ponto de saturação das fibras devem ser

armazenadas em ambiente coberto para evitar a influência das precipitações

(absorção de umidade).

No momento da coleta do material, foi observado que a maioria das pilhas,

tanto de Acácia quanto de Eucalipto, apresentavam uma base de isolamento entre o

material lenhoso e o solo, o que facilita a secagem da lenha, além de evitar o

processo de deterioração da madeira, quando exposto por longo tempo (GATTO,

2002). Nesses locais o isolamento acaba sendo de grande interesse, pois a maioria

dos estabelecimentos não possuem controle de tempo de armazenamento,

conforme constatado no questionaria aplicado, onde com exceção do E1, os outros

não sabiam quanto tempo suas madeiras ficavam secando até serem utilizadas. Já

E1 deixava suas madeiras secando por pelo menos 2 meses antes do uso, o que

justifica seu baixo teor de umidade.

Os valores apresentados na tabela são ideais para serem utilizados como

combustível, pois estão de acordo com o valor estipulado por Percci et. al (2001),

39

inferior a 30%. Para Farinhaque (1981), um bom aproveitamento da combustão da

madeira se dá com teores de umidade abaixo de 25%. Já para Quirino (2005), o

conteúdo de umidade máximo que uma madeira pode ser queimada no forno está

em torno de 65% a 70% em base úmida. E Ince (1980), citado por Cunha et al.

(1989), pondera que a quantidade máxima de água que a madeira pode conter para

entrar em combustão tem sido calculada em aproximadamente 65% na base úmida,

pois madeira muito úmida, com teor de umidade acima deste limite, necessita

calorias de origem externa para secar e entrar em combustão.

Cunha et. al (1989) afirma que quanto maior o conteúdo de umidade da

madeira, menor é o seu poder de combustão, devido ao processo de evaporação da

umidade, o qual absorve energia em combustão. Farinhaque (1981) assegura que a

madeira com teores acima de 25%, não só reduz acentuadamente a quantia de

calorias, mas também a temperatura da câmara de queima e a temperatura dos

gases de escape. Além disso, o excesso de umidade promove a formação de

crostas de fuligem nas chaminés e no interior da câmara de combustão.

4.2 Massa específica básica

A massa específica é um dos principais índices de qualidade da madeira e,

segundo Brasil (1972), citado por Vale (2000), os métodos que se apoiam na massa

específica básica, são os que mais satisfatoriamente medem a quantidade de

substância madeira por unidade de volume.

Na Tabela 5 é apresentada a análise de variância para a massa específica

básica em função dos locais de coleta das amostras de madeira. A análise

apresentou diferença estatística entre os estabelecimentos ao nível de 1% de

probabilidade. Dessa forma, foi aplicado o teste LSD, para que se tivesse a

comparação de médias das massas específicas básicas dos diferentes

estabelecimentos (Tabela 6).

40

Tabela 5. Análise de variância para a massa específica básica em função dos

estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.

FV GL SQ QM F Prob.>F

Locais 4 0,40863 0,10216 211,26 0,0000*

Erro 66 0,03192 0,00048 - -

Total 70 0,44055 - - -

Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM = Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo ao nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.

Tabela 6. Comparação de médias da massa específica básica para os cincos

estabelecimentos de coleta das amostras

Estabelecimento CP ME (g/cm³) LSD

E1 12 0,610 A

E2 15 0,597 B

E3 15 0,587 B

E4 15 0,409 D

E5 14 0,512 C

CP = número de corpos-de-prova; ME= massa específica básica; médias seguidas por letras iguais

não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.

Para a análise de comparação de médias da massa específica básica,

apenas os estabelecimentos 2 e 3 não apresentaram diferença significativa para o

teste aplicado, com 5% de probabilidade, todos os outros estabelecimentos (E1,

E4 e E5) diferenciaram-se entre si.

Como pode ser observado na Tabela 6, a massa específica do eucalipto

obteve valores médios de 0,41 g/cm³ e 0,51 g/cm³, já para as madeiras de acácia os

valores médios foram de 0,61, 0,60 e 0,59 g/cm³. Levando em consideração apenas

a massa específica básica, que as madeiras dos estabelecimentos E1, E2, E3 e E5,

possuem boas características para fins energéticos. A lenha utilizada em E4

encontra-se abaixo da classificação de moderadamente pesada, onde para

madeiras de eucalipto a massa específica básica deve estar entre 0,42 a 0,50 g/cm³

41

(USDA, 1987 apud GATTO et al, 2003), assim o estabelecimento 4, tem que

queimar um volume de madeira maior que os outros estabelecimentos.

Quando comparada a massa específica básica das madeiras de acácia em

relação ao eucalipto, constata-se que os valores, para essa variável, são superiores,

o que proporciona uma maior eficiência energética

Comparando a massa específica (e consequentemente o poder calorífico)

obtida com a de outros materiais, vê-se que a utilização de resíduos é de grande

interesse, pois além de se reaproveitar o resíduo, tem-se a economia de energia. De

acordo com Precci et. al (2001), no que se refere à composição e ao poder

calorífico, os resíduos agrícolas são térmicos e quimicamente equivalentes à

madeira, merecendo, por essa razão, toda a atenção no momento de sua utilização

como combustível, mesmo apresentando energia menos concentrada.

Tabela 7: Poder calorífico de alguns resíduos orgânicos

Resíduo Umidade

(%) Massa Específica

(Kg/m³) Poder Calorífico

(KJ/Kg)

Casca de Arroz 12 140 12.977

Casca de Amendoim 12 150 12.977

Palha de Trigo 20 160 13.395

Sabugo de Milho 13 220 17.598

Palha de Café 13 250 15.488

Serragem de madeira 40 300 8.372

Bagaço de Cana-de-Açucar 50 150 7.535 Fonte: Precci et. al (2001) - Fontes de Energia para Secagem

Apesar de alguns resíduos apresentarem massa específica menor que os

apresentados pelas espécies de eucalipto e acácia, a utilização de resíduos para a

geração de energia promove a melhoria da qualidade ambiental e

consequentemente do saúde, além de atender a Política Nacional de Resíduos

Sólidos de 2010, que diz em seu Art 36, I - adotar procedimentos para reaproveitar

os resíduos sólidos reutilizáveis e recicláveis oriundos dos serviços públicos de

limpeza urbana e de manejo de resíduos sólidos.

42

4.3 Poder Calorífico

Para Soares (2011), o poder calorífico indica a capacidade potencial de um

material desprender determinada quantidade de calor, quando submetido à queima,

sendo extremamente importante nos processos de tratamento térmico dos resíduos.

Na Tabela 8 são apresentados os dados e resultados obtidos da análise de

variância para o poder calorífico em função dos locais de coleta das amostras de

madeira. Pode-se verificar que os valores para essa variável apresentaram diferença

significativa de 1% de probabilidade.

Tabela 8. Análise de variância para o poder calorífico em função dos

estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.

FV GL SQ QM F Prob.>F

Estabelecimentos 4 9,56E+06 2,39E+06 184,9 0,0000*

Erro 66 853034 12924,8

Total 70 1,04E+07

Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM = Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo ao nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.

Após a análise de comparação de médias do poder calorífico, verificou-se

que os estabelecimentos 1 e 2 não apresentaram diferença significativa para o

teste aplicado, com 5% de probabilidade. Em relação aos demais

estabelecimentos, observou-se que estes diferenciaram-se entre si, vide tabela 9.

Os valores apresentados abaixo estão próximos com os encontrados por

GATTO et. al (2003), que encontrou para as madeiras de Eucalyptus spp. poder

calorífico de 1.915 KWh/m³, para uma umidade de 17% e massa específica básica

de 0,44 g/cm³. Já COUTO et. al (2013), encontraram poder calorífico de 2.567

KWh/m³ para as madeiras de Acácia Negra, para umidade de 20% e massa

específica de 0,61 g/cm³. Portanto, os valores encontrados neste trabalho estão de

acordo com os encontrados na literatura.

43

Tabela 9. Comparação de médias do poder calorífico da madeira para os cinco

estabelecimentos de coleta das amostras.

CP = número de corpos-de-prova; PC = Poder calorífico da madeira; médias seguidas por letras

iguais não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.

O poder calorífico da madeira é inteiramente influenciado pelo teor de

umidade e pela massa específica básica, onde quanto maior o teor de umidade

maior é o gasto energético para evaporar a água presente na madeira, e quanto

menor a massa específica básica menor será o seu poder calorífico. Através da

comparação do poder calorífico entre as duas espécies estudadas, pode-se

perceber que a massa específica básica tem grande importância no poder calorífico,

pois o teor de umidade pode ser controlado através do tempo de exposição. Sendo

assim a espécie mais indicada para a combustão, e no caso do estudo para a

cocção de alimentos, foi à acácia, utilizada nos estabelecimentos 1, 2 e 3 (tabela 9).

A diminuição do poder calorífico pela umidade pode ser vista principalmente

nas amostras do estabelecimento 4, onde, como observada na tabela 3, é a que

apresenta maior teor de umidade, seguida pelas lenhas do estabelecimento 3, que

apesar de ter uma massa específica básica maior que as apresentadas pelas

madeiras de Eucalipto, também tem seu poder calorífico diminuído pela umidade.

A utilização da lenha deve ser analisada junto com outras opções,

considerando a sua combinação com outros fatores, como a existência de outras

fontes de matéria-prima, padrões de consumo que lhe sustente e características

técnicas de produção (DEVES e FRANCIO, 2007). Como visto, outros tipos de

resíduos também possuem potencial energético, e esse reaproveitamento deve ser

analisado, principalmente em locais onde sua disponibilidade seja abundante, visto a

Estabelecimento CP PC (Kwh/m³) LSD

E1 12 2606,77 A

E2 15 2552,81 A

E3 15 2435,67 B

E4 15 1612,45 D

E5 14 2184,49 C

44

importância de investir em energia renovável para viabilizar o desenvolvimento

econômico integrado à questão ambiental, sendo que a utilização dos resíduos

como fonte de energia propicia o desenvolvimento econômico sustentável.

Nesse contexto, assim como Henriques (2004), vê-se a possibilidade de

aproveitamento do biogás (digestão anaeróbia), gerado dos resíduos sólidos, para

uso energético. O poder calorífico do biogás é de 14,9 a 20,5 MJ/m3, ou

aproximadamente 5.800 kcal/m3. Esse valor é próximo ao poder calorífico da

madeira, considerado como 4.500 Kcal/Kg, baseado num teor de umidade de 0%.

Já comparando o poder calorífico da madeira (4.500 Kcal/Kg para 0% de

umidade) com resíduos agrícolas, percebe-se uma fonte interessante de biomassa

para a geração de energia, pois apesar de apresentarem poder calorífico menor

tem-se a possibilidade de ser briquetado, o que aumenta a densidade desses

resíduos e consequentemente o poder calorífico. E conforme pode ser visto por

Quirino et al (2007), a briquetagem permite ter pelo menos 5 vezes mais energia em

1 m3 de briquetes do que em um m3 de resíduo.

Visando a comparação em relação ao controle da matéria prima, foi aplicado

um questionário a todos os dos estabelecimentos (em anexo) e verificou-se que

estes não possuem critérios na escolha da madeira, como o diâmetro, idade de corte

da árvore e o espaçamento do plantio, variáveis que afetam a massa específica

básica. Além disso alguns deles desconhecem a madeira que utilizam não tendo

nenhuma restrição na escolha. Também verificou-se que nunca testaram outras

fontes, como briquetes, ou até mesmo outra biomassa como fonte de energia.

45

5. CONCLUSÕES

O teor de umidade e a massa específica básica influenciam diretamente o

poder calorífico, logo quanto mais seca estiver a madeira, maior será o poder

calorífico. E quanto maior for a massa específica básica, maior será o poder

calorífico. Porém a massa específica básica é mais relevante, pois o teor de

umidade pode ser controlado por tempo de exposição para secagem.

A queima de lenha com alto teor de umidade aumenta os custos de transporte

e diminuí a eficiência energética da lenha. As amostras estudadas não podem assim

ser consideradas, pois seu teor de umidade está igual ou abaixo do ponto de

saturação das fibras, o que representa que toda a água livre, presente na madeira,

foi evaporada, nesse sentido é conveniente que as lenhas se mantenham

protegidas, para que não absorvam umidade do ambiente.

A determinação do poder calorífico é muito importante para o uso energético

da biomassa, pois indica a capacidade potencial de um material de desprender

calor. Formas práticas de determinação e de baixo custo são fundamenteis para

viabilizar suas aplicações

A partir dos resultados obtidos das amostras analisadas, pode-se concluir que

a acácia é mais indicada para a geração de energia através da queima direta, pois

apresenta maior poder calorífico, isso se deve ao fato de apresentar maior massa

específica básica e, nesse estudo, menor teor de umidade.

46

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55

APÊNDICE

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

CENTRO DE ENGENHARIAS

ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Questões para desenvolvimento do Estudo de Caso.

Empresa: _____________________________________________________________________

1) Para que finalidade é utilizada a lenha ou madeira no estabelecimento?

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

2) Qual é a espécie florestal? Qual a idade de corte da árvore? Qual o espaçamento utilizado no

plantio das árvores?

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

3) Qual o tempo de armazenamento (estocagem) da lenha antes do uso?

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

4) Quais as dimensões da lenha utilizada?

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

5) Já utilizaram outras espécies ou briquete? Qual? Qual apresentou maior eficiência?

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________