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Análise comparativa das diferentes tecnologias
de carbonização e recuperação de subprodutos
Nota Técnica referente à letra (B) do estudo técnico 2 do Termo de Referência do
contrato 49, do ano de 2013, entre CGEE e MDIC, para subsídios em:
“Modernização da Produção do Carvão Vegetal”
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3 Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
Presidente
Mariano Francisco Laplane
Diretor Executivo
Marcio de Miranda Santos
Diretores
Antonio Carlos Filgueira Galvão
Gerson Gomes
Nota Técnica: “Análise comparativa das diferentes tecnologias de carbonização e recuperação de subprodutos”. Subsídios 2014 ao Plano Siderurgia do MDIC: Modernização da Produção de Carvão Vegetal. Contrato Administrativo CGEE/MDIC 49/2013. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2014. (Produto 1). 28 p. 1. Produção de gusa. 2. Carbonização da madeira. I. CGEE. II. Título. Centro de Gestão e Estudos Estratégicos - CGEE
SCS Qd 9, Lote C, Torre C
Ed. Parque Cidade Corporate - salas 401 a 405
70308-200 - Brasília, DF
Telefone: (61) 3424.9600
Fax. (61) 3424 9659
http://www.cgee.org.br
Este relatório é parte integrante das atividades desenvolvidas no âmbito do Contrato Administrativo
CGEE/MDIC 49/2013/Ação: Subsídios para Revisão do Plano Siderurgia (Carvão Vegetal) - 29.1.1.
Todos os direitos reservados pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE). Os textos contidos
neste relatório não poderão ser reproduzidos, armazenados ou transmitidos.
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Consultor
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5 CONTEÚDO RESUMO EXECUTIVO 6 1. INTRODUÇÃO 8 2. FORNOS 8 3. CUSTO DA MADEIRA 9 4. DESCRIÇÃO DAS TECNOLOGIAS 10 4.1. FORNOS CIRCULARES 10 4.2. FORNOS RETANGULARES – VÁRIOS MODELOS 11 4.2.1. MODELO RAC-­‐700 11 4.2.2. MODELO PLANTAR 13 4.3. TECNOLOGIA BRICARBRAS 13 4.4. TECNOLOGIA DPC 14 4.5. TECNOLOGIA CARBONIZAÇÃO CONTÍNUA & SUBPRODUTOS 15 5. ESTUDO COMPARATIVO DAS TECNOLOGIAS E VIABILIDADE ECONÔMICA 17 5.1. GEOMETRIA E CAPACIDADE DE CARGA DOS FORNOS 17 5.2. CICLO OPERACIONAL E PRODUTIVIDADE 18 5.3. CAPACIDADE DE PRODUÇÃO E INVESTIMENTO 18 5.4. PESSOAL 19 5.5. COMPOSIÇÃO DO CUSTO UNITÁRIO DE PRODUÇÃO 20 6. CENÁRIOS DE PRODUÇÃO E LIMITAÇÕES PARA FORNOS DE MAIOR EFICIÊNCIA 21 6.1. CENÁRIO 1: PEQUENOS PRODUTORES 21 6.2. CENÁRIO 2: GRANDES PRODUTORES COM FLORESTAS PRÓPRIAS 22 6.3. CENÁRIO 3: FORNOS DE ALTA PRODUTIVIDADE 23 6.4. LIMITAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DE FORNOS DE ALTA EFICIÊNCIA 25 6 REFERÊNCIAS 27
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8 A implantação de unidades de demonstração de fornos de alta produtividade é um imperativo para a melhoria da competividade do carvão vegetal como insumo siderúrgico e para que todo o potencial de mitigação de emissões de gases de efeito estufa possa ser praticado em escala industrial. LIMITAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DE FORNOS DE ALTA EFICIÊNCIA Embora o Brasil tenha uma grande produção de carvão vegetal, é fato que existe uma grande dificuldade na implantação de fornos de carbonização de alta produtividade. Aqui foram apontados alguns dos fatores de ordem cultural, legal e econômica que contribuem para esta dificuldade. 9 1. INTRODUÇÃO Temos vários cenários de produção de carvão vegetal no Brasil, vamos inicialmente analisar a produção nos grandes produtores que geralmente têm a produção verticalizada para atender o fornecimento de redutor para o negócio siderúrgico do grupo. Nestas siderúrgicas integradas são consumidos 500 a 630 kg de carvão para cada tonelada de ferro-­‐gusa produzido. A produção de carvão vegetal pode ser feita diretamente por empresas pertencentes a grupos empresariais que tenham o aço como produto final como: Vallourec produtora de tubos sem costura, APERAM produtora de aço inoxidável, ArcelorMittal, Gerdau, Votorantim produtoras de vergalhões e trefilados. Ou por empresas produtoras de ferro-­‐gusa como: Plantar, Queiroz Galvão, Viena, entre outras. Ou por empresas que produzam apenas carvão vegetal e o vendem para estas grandes consumidoras. 2. FORNOS O forno é um tipo de equipamento que atinge alta temperatura e é utilizado em uma variedade de processos, como por exemplo, na torrefação de lúpulo para cerveja, para a fabricação de cerâmica, entre outros. Muitos fornos são projetados de forma especial para atender a uma necessidade particular. Os desenhos desses fornos levam em consideração condições específicas como: clima, local, tipo de material, temperaturas desejadas, carga térmica, forma de aquecimento. A troca térmica no forno acontece seguindo Leis da Termodinâmica, podendo ser realizada através dos mecanismos da condução, da convecção e da radiação. Enfim são os fenômenos pelos quais um corpo quente cede parte de seu calor a outro mais frio. Em um forno a condução é importante ao estabelecer a parte de calor que sai pelas paredes e se perde no ambiente externo. Esta quantidade de calor, fluxo térmico perdido guarda relação proporcional com a diferença de temperatura entre os dois meios em contato e à superfície que eles têm em comum. A convecção, por sua vez, é a transmissão de calor entre líquidos e gases em circulação. Se a corrente de ar, gás ou líquido for provocada por um ventilador, uma bomba ou qualquer outro !S"
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17 grupo de pesquisadores usou as verbas indenizatórias empregatícias e criou a Biocarbo, que recém completou 20 anos de desenvolvimento de P&D de maneira autossustentável. Onde projetos de P&D têm recursos provenientes de receita com a venda de especialidades químicas. Cerca de 60% do faturamento é obtido com óleos para a formulação de aromas de fumaça, com maior parte da produção sendo exportada para os Estados Unidos. O faturamento, por volta de R$1,5 milhão, tem permitido sustentar iniciativas para o desenvolvimento de aplicações de demanda de mercado. Biopirol é a marca da Biocarbo, para o Extrato Pirolenhoso de uso agrícola, o qual se revela como uma oportunidade promissora, juntamente com alcatrão como combustível para aquecimento industrial. A combinação destes dois produtos permitiria a agregação de receita de R$250,00 ~ R$500,00 por tonelada de carvão vegetal. Para efeito deste estudo consideramos receita de apenas R$125,00/tCV. Para efeito de evoluir nesta tecnologia também foi considerado o uso de cavacos com 5 cm visando reduzir investimento na mesa de corte dos toletes e redução do tempo de residência e consequentemente otimização do investimento neste tipo de tecnologia. Nas figuras esta tecnologia recebeu a denominação de CARBONIZAÇÃO CONTÍNUA MELHORADA. 5. ESTUDO COMPARATIVO DAS TECNOLOGIAS E VIABILIDADE ECONÔMICA Vale ressaltar que os custos aqui apresentados foram, em grande parte, fornecidos pelas próprias empresas; também, que precisávamos equalizar os custos da madeira, e sua preparação exigida pela tecnologia conforme discutido no item 3. 5.1. GEOMETRIA E CAPACIDADE DE CARGA DOS FORNOS A Figura 5.1 apresenta as dimensões básicas dos fornos que serão avaliados ao longo desta nota técnica. Nesta figura também são apresentados a bitola da lenha para enfornamento, capacidade de carga do forno. Também é apresentado o rendimento gravimétrico garantido pelo fornecedor da tecnologia. Foram tomados os seguintes dados auxiliares: a densidade da madeira como 500 kg/m3; índice ou fator de empilhamento: 1,5 estéreo/m3 e 230 kg/m3 para a densidade granel do carvão vegetal. 18 Cabe a crítica do rendimento apresentado pela ArcelorMittal para o rendimento típico do forno RAC 700, conforme discutido no item 4.2.1. 5.2.
CICLO OPERACIONAL E PRODUTIVIDADE Pela figura 5.2 pode ser observado que, entre os fornos de alvenaria, o forno circular é o de melhor produtividade. Faz 0,47 kg/m3h de carvão para cada metro cúbico de forno, enquanto os fornos retangulares não ultrapassam 0,3kg/m3h. Isto se deve tanto à carga manual, que deixa menos vazios, que à carga mecanizada; quanto ao maior tempo de resfriamento nos retangulares. O trocador de calor ao reduzir cerca de 120 horas no período de resfriamento, consegue elevar este índice de 0,176 para 0,265, conforme dados da Queiroz Galvão. Tecnologias com maior conteúdo de engenharia, como a DPC, têm produtividades bem superiores, da ordem de 1,7 kg/m3h por m3 de forno e 8,9kg/m3h para a carbonização contínua. Ao reduzir as dimensões das peças com uso de cavacos, estes valores sobem substancialmente. 5.3.
CAPACIDADE DE PRODUÇÃO E INVESTIMENTO Para efeito comparativo foi avaliado a quantidade de fornos, pessoal, etc. para atender capacidade instalada próxima a 10.000 t/mês. Pela figura 5.3 se verifica que seriam necessários 1.649 fornos circulares com investimento total de 11,72 milhões de reais ou R$97,69/t.ano de capacidade instalada. Este tipo de forno apresenta o menor investimento unitário entre as alternativas avaliadas. O investimento mais alto se destinaria à tecnologia de carbonização contínua: R$98,76 milhões de investimento para instalar 22 fornos levando a investimento unitário de R$823,00 por cada tonelada/ano instalada. Para o forno RAC-­‐700 da APERAM o investimento se aproxima de R$29,36 milhões, sendo que o investimento unitário seria de R$244,00 por tonelada instalada. Este mesmo forno instalado no Maranhão tem seu investimento elevado para R$50,88 milhões; e individual, de R$424,01 por tonelada-­‐ano instalada. O uso de trocadores de calor, que encurtam o ciclo operacional do forno RAC-­‐700, provoca redução de quase 5% na 19 necessidade de investimento. Outra vantagem do uso de trocadores são: unidades menores e a otimização da logística. O uso de cavacos e recuperadores de subprodutos na melhoria das tecnologias de alto desempenho, como a DPC e a Carbonização Contínua, levam a uma redução importante no investimento. A redução do tempo de residência da carga nos fornos deve ser uma busca incessante pela melhoria do desempenho. 20 5.4.
PESSOAL Para atender a operação dos 1649 fornos circulares seriam necessárias 670 pessoas divididas em 4~5 UPCs, que demandariam 12 pessoas para administração em campo e 9 pessoas no escritório central. Tem-­‐se então um total de 691 pessoas e uma produtividade de 14,47 toneladas de carvão vegetal por pessoa, incluindo o efetivo da administração. O componente pessoal participa com R$132,03 no do custo de produção. Como mostrado na Figura 5.4, todas as demais tecnologias promovem uma redução acentuada do efetivo em número de funcionários e custos. Novamente se tem uma discrepância entre valores da prática da Queiroz Galvão Siderurgia e da ArcelorMittal, para o número de funcionários e custo de pessoal na formação do custo do carvão vegetal. Isto é provavelmente devido ao maior uso de terceirizados pela Arcelor Mittal e maior pessoal na gestão operacional e no controle de qualidade pela Queiroz Galvão Siderurgia. Para os fornos RAC-­‐700 na Queiroz Galvão Siderurgia, no total, 198 pessoas são necessárias para estes fornos sem trocador e 211 para os fornos com trocador, levando a redução de quase 70% em relação ao efetivo para os fornos circulares. O custo fica na faixa de R$46~48/t de carvão. A produtividade fica próxima a 45 t/mês de carvão para cada funcionário, incluindo a administração. A redução na conta custo com pessoal é da ordem de 65%. A tecnologia DPC precisaria de 108 pessoas para produzir 10.000 t/mês de carvão vegetal. A redução do efetivo é da ordem de 82% em relação ao forno circular, a produtividade fica na faixa de 80 t/mês por funcionário, incluindo a administração. A redução no custo de pessoal ficaria em torno de 66%; devido a maior qualificação e salários do pessoal operacional. A carbonização contínua leva à redução adicional de pessoal, apenas cerca de 10% do efetivo necessários aos fornos circulares produziriam as mesmas 10.000 t/mês de carvão. Dependendo da localização das plantas esta pode ser uma vantagem adicional desta tecnologia. #!"
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25 Este cenário, que também permite a mitigação de emissão de gases de efeito estufa de modo impressionante, é um dos mais interessantes exercícios de sustentabilidade aguardando seu desenvolvimento pela humanidade. Esta prática coloca novíssimos conceitos para a integração de negócios, onde resíduos são insumos para outros setores, formando uma teia de maior eficiência, a semelhança do que acontece na cadeia alimentar da natureza. No início da década de 1990, este conceito recebia a denominação de ecossistema de manufatura. 6.4.
LIMITAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DE FORNOS DE ALTA EFICIÊNCIA Embora o Brasil tenha uma grande produção de carvão vegetal, é fato que existe uma grande dificuldade na implantação de fornos de carbonização de alta produtividade. Aqui serão apontados fatores de ordem cultural, legal e econômica que contribuem para esta dificuldade. • Fatores culturais:  Medidas por volume: Todo o sistema de comercialização do carvão vegetal e os indicadores de desempenho na produção são baseados em volume. As unidades em largo uso pelo setor são: MDC – metro cúbico de carvão; estéreo de madeira, que representa um metro cúbico de pilha de madeira. O indicador de desempenho é índice de conversão de estéreos em MDC. Por ser altamente dependente da granulometria e densidade do carvão como também do diâmetro e densidade da madeira. Estas medições de volume estão sujeitas a erros e imprecisões que dificultam o refinamento de medidas de gestão para ganhos efetivos de produtividade. O conceito do rendimento gravimétrico e seu efeito no custo de produção não são percebidos pela elite técnica e pela alta direção das empresas do setor. Na prática os esforços de controle dos custos são direcionados para ganhos de produtividade nas florestas e melhoria nas práticas de colheita e transporte.  Desenvolvimento interno: o setor tem clara opção por desenvolver suas próprias tecnologias, tecnologia desenvolvida por terceiros não é bem recebida. Como equipes internas não agregam todo o conjunto de conhecimento técnico necessário, a quebra de paradigmas na forma de produzir carvão vegetal fica limitada.  Distanciamento dos sites de carbonização: como é praticada geralmente a centenas de quilômetros da planta siderúrgica e dos escritórios da alta administração, a produção de carvão perde sinergia com as demais áreas de conhecimento e gestão das grandes empresas.  Falta de especialistas: a formação de engenheiros e técnicos para o setor fica restrita ao âmbito das ciências agrárias, à contribuição ou parceria com outras áreas da engenharia praticamente não existe. • Fatores legais:  Medidas por volume: As autoridades fiscais e ambientais usam os indicadores por volume, por ser a prática da indústria. Todo o sistema de comercialização do carvão vegetal e os indicadores de desempenho na produção são baseados em volume. As unidades em largo uso pelo setor são: MDC – metro cúbico de carvão; estéreo de madeira, que representa um metro cubico de pilha de madeira. O indicador de desempenho é índice de conversão de estéreos em MDC. 26 •
Fatores econômicos:  Ciclo de investimento: As boas empresas do setor acabam por implantar unidades de fornos retangulares, que ainda não foram amortizados. A substituição desta tecnologia ainda não está no horizonte decisório destas empresas.  Risco da inovação: A falta de uma unidade de demonstração que comprove os ganhos dos fornos de alta produtividade apresentados neste relatório. Não permite a quebra de paradigmas e faz com que no processo de troca de tecnologia a opção seja por uma tecnologia em uso e devidamente dominada. A alta direção das empresas se recusa a se posicionar como “cobaias”.  Otimização do investimento: Acontece expressiva redução do investimento global na cadeia de produção do carvão vegetal com a implantação de fornos de alta produtividade, reduzindo significativamente o investimento em florestas. Infelizmente este contexto não é de conhecimento daqueles que decidem onde alocar o investimento. Os ativos fundiários e florestais são assim privilegiados em detrimento de fornos de carbonização de alta eficiência. 27 REFERÊNCIAS ATSDR / U.S. Department of Health and Human Services Toxicological profile for wood creosote, coal tar creosote, coal tar, coal tar pitch, and coal tar pitch volatiles -­‐ Public Health Service -­‐ Agency for Toxic Substances and Disease Registry, September 2002. BEGLINGE, Edward, R. Chemical Engineer Hardwood-­‐Distillation Industry -­‐ No. 738 Revised February 1956; Forest Products Laboratory, MADISON 5, WISCONSIN — Forest Service U. S. Department of Agriculture. Disponível em: http://ir.library.oregonstate. edu/xmlui/bitstream/handle/1957/929/FPL_738ocr_rev.pdf;jsessionid=67C5BA0E9FFA00CF8D15824995
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