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Diagnóstico da eficiência da conversão de
biomassa de madeira em carvão
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Nota Técnica referente à letra (A) 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 de 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 A do TR: “Diagnóstico da eficiência da conversão de biomassa de madeira em carvão”. Subsídios 2014 ao Plano Siderurgia do MDIC: Modernização da Produçao de Carvão Vegetal. Contrato Administrativo CGEE/MDIC 49/2013. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2014. 25 p. 1. Carvão vegetal. 2. Conversão de biomassa. 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 7 2. CONCEITO DE CALOR E MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 7 3. OUTROS CONCEITOS E CONHECIMENTOS 1. INTRODUÇÃO 10 3.1. Fluxo de produção do carvão vegetal 10 3.2. O que é a madeira 11 3.3. Como a madeira é produzida 12 3.4. O eucalipto e o reflorestamento 13 3.5. Qualidade da madeira 14 15 4.1. Carbonização ou queima 16 17 18 19 21 23 24 4. O QUE É CARBONIZAÇÃO 5. CINÉTICA DA CARBONIZAÇÃO 6. BALANÇO DE MASSA E ENERGIA DA CARBONIZAÇÃO E SUA APLICAÇÃO A TRÊS MODELOS DE FORNOS 7. RENDIMENTO GRAVIMÉTRICO 8. FLUXOGRAMA DE PRODUÇÃO E INDICADORES DE DESEMPENHO 9. CONCLUSÃO REFERÊNCIAS 6 RESUMO EXECUTIVO Para entender o que é eficiência na conversão da madeira em carvão precisamos primeiro saber mais sobre a carbonização e as variáveis que atuam no processo. CARBONIZAR É CONCENTRAR CARBONO. O calor faz a madeira perder muito peso, formando gases e vapores (fumaça). A fumaça retira maior proporção de oxigênio e de hidrogênio, e deixa carbono. Na verdade a madeira vira carvão antes de se queimar, a brasa já é o carvão se queimando. As fases da carbonização estão detalhadas no item Cinéticas da Carbonização. QUEIMAR FUMAÇA É A MELHOR OPÇÃO. Ao queimar a fumaça diminuímos a poluição e melhoramos a eficiência da usina, que pode ser chamada de UPC (Unidade de Produção de Carvão). REDUZIR A DEMANDA TÉRMICA É EFICIÊNCIA. Eficiência na conversão da madeira em carvão é dependente da demanda térmica característica de cada forno individualmente. Para alto rendimento é imperativo reduzir a demanda térmica. Detalhes, no item Balanço de Massa e Energia. INDICADORES DE DESEMPENHO. A aplicação com excelência de um sistema de gestão produz indicadores de desempenho que facilitam aferir a eficiência. Um sistema que integra treinamento, motivação do pessoal, respeito à cultura regional, permite resultados expressivos mesmo entre funcionários analfabetos. Os bons profissionais devem ser valorizados., bem como os outros detalhes como disponibilidade de todos os periféricos, máquinas e ferramentas. Nos fornos intensivos em mão de obra o resultado da aplicação deste sistema de gestão leva a resultados impressionantes, como o exemplificado na figura 8.2. Executivos da Queiroz Galvão Siderurgia avaliaram ganho de R$28 milhões no ano de 2009. EXCELÊNCIA EM UM SISTEMA DE GESTÃO. Um olhar mais agudo sob a ótica da transmissão de calor, balanços de massa e energia; coloca em dúvida a possibilidade de sucesso de várias iniciativas do setor. Enfim, a aplicação do sistema de gestão permite o acompanhamento sistemático e contínuo, precisão no diagnóstico de problemas e rapidez nas ações corretivas. 7 1. INTRODUÇÃO Para entender o que é eficiência na conversão da madeira em carvão precisamos primeiro saber mais sobre a carbonização e as variáveis que atuam no processo. Pirólise -­‐ (do Grego pyr, pyrós = fogo + lýsis = quebra) -­‐ Em sentido estrito é uma reação de decomposição que ocorre pela ação de altas temperaturas. Ocorre uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto pela ação do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxigênio. Em sentido amplo, conceitua-­‐
se como pirólise todo e qualquer processo de decomposição pela ação de calor nas condições acima descritas, como, por exemplo, a carbonização. O produto dessa reação química é chamado de carvão. Pela ação do calor, a carbonização remove hidrogênio e oxigênio do sólido, de modo que a matéria restante é composta principalmente de carbono. Carbonização é etapa de processos naturais como o fogo, mas também uma reação deliberada e controlada utilizada na fabricação de certos produtos. O mecanismo de carbonização é parte da queima normal de certos combustíveis sólidos tais como madeira. Durante a combustão normal, os compostos voláteis criados na carbonização são consumidos formando as chamas dentro do fogo, enquanto a combustão do carvão pode ser vista no vermelho incandescente das brasas, que queimam sem a presença de chamas. 2. CONCEITO DE CALOR E MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Se a reação de carbonização acontece devido ao efeito do calor sobre os tecidos vegetais é necessário entender o que é calor, bem como se dá a sua transferência. Neste item, além do conceito e descrição dos mecanismos, também será mostrado exemplos de aplicação à carbonização da madeira. Calor -­‐ é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro -­‐ ou entre partes de um mesmo sistema exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Os conceitos de energia interna não devem jamais ser confundidos com o conceito de calor; que implica sempre energia térmica em trânsito ou transferida, devido a uma diferença de temperaturas. Há, em essência, três formas de transferência de calor: radiação, convecção e condução. A radiação não precisa de meio físico para fazer a transferência de 8 calor. O exemplo clássico é o sol aquecendo a Terra, pois, entre eles, predomina o vácuo. Uma fonte de calor por radiação precisa estar a temperaturas superiores a 500oC para que o fluxo de calor por ela emitido seja significativo. As duas outras formas de transmissão precisam do entrechoque de átomos. À medida que a temperatura sobe, os átomos aumentam a frequência de vibração. Em um choque, parte dessa energia é transferida ao outro átomo, que eleva sua temperatura. Na condução os átomos estão presos numa matriz sólida, e a liberdade de movimento deles é menor; mas a proximidade transmite muito bem as vibrações de um para outro. A propriedade que mede a facilidade da transferência de calor nos materiais sólidos é a condutividade térmica. Metais têm a característica de permitir que seus elétrons desloquem-­‐se na matriz sólida. São ótimos transmissores de calor. Veja os valores da figura 1: a condutividade do aço é 52 W/mK: 1300 vezes superior à da lã de rocha, que tem 0,04 W/mK. Uma manta de lã de rocha é um ótimo isolante por ter vários intertícios vazios. A transmissão da vibração atômica da parte sólida se esvai ao encontrar micro bolsões de ar. O tijolo tem uma condutibilidade intermediária, de 0,9 W/mK, pois é constituído principalmente de sílica, e não tem tantos intertícios em sua estrutura. A madeira é um bom isolante (0,15W/mK), pois é um material rico em carbono amorfo, e com enorme quantidade de poros, como tambem o é o carvão vegetal. A convecção é a forma de transmissão em meios em que átomos, agregados em suas respectivas moléculas, têm boa liberdade de movimento, ou seja: ocorre nas fases líquidas e gasosas. A propriedade que mede esta facilidade de transmissão se chama coeficiente convectivo, e seu cálculo ou medição é bastante complexo. Mas, quanto maior a probabilidade de choque entre moléculas, maior será o valor deste coeficente. Então dependerá da velocidade de fluxo; por exemplo: ar ou gases, em condição de fluxo natural, têm coeficiente convectivo em torno de 18 W/m2K; em condição de fluxo impulsionado por exaustores e ventiladores o coeficente convectivo forçado sobe nove vezes, alcançando 165 W/m2K. Quanto maior a densidade do meio tambem será maior a probabilidade de choque entre as moléculas. Por exemplo, no volume de um metro cúbico estará contido 1.000 kg de água líquida ou apenas 0,578 kg de água na fase vapor. Ou seja, o vapor desde que não mude de fase, tem menor capacidade de transmitir calor que a água líquida. Por outro lado se ocorrer essa mudança de fase, i.e.: condensação, nas moléculas de vapor d’água ocorrerá a liberação do calor latente sobre a parede, e se ganha uma enorme capacidade de transmitir calor (63.000 W/m2K). É por esta razão que o aquecimento via condensação de vapor é o mais praticado pela indústria. De modo que quanto menor a densidade do material em que ocorre o fluxo, menor será o Coeficente Global de transmissão de calor (termo U) que compõe a equação geral (1) apresentada abaixo. Onde, q é a quantidade de calor transmitida por unidade de tempo; A é a área sob a qual acontecerá o fluxo de calor, e ΔTtotal é a diferença de temperatura total no sistema em avaliação. Z"
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14 adaptada ao Eucalipto tem até bicho que se alimenta de seus frutos. A manga, o abacate, o côco-­‐da-­‐bahia também vieram de outra parte do mundo, não são nativos do Brasil. Mas estas árvores se adaptaram tão bem aqui, que a consideramos nativas e totalmente inte-­‐gradas no nosso cotidiano. O Eucalipto cresce rápido, quando plantado no reflorestamento com espaçamento acertado, tem um tronco reto e longo, tem poucos galhos e copa de folhas fica lá no topo. É uma matéria-­‐prima muito boa para ser usada na fabricação de papel e de carvão, como em nossa UPC. Mas o Eucalipto também é uma árvore normal e como todas também precisam beber água pela raiz. Apesar da crença que secaria nascentes, não tem mais sede do que outras árvores. O Eucalipto não deve ser plantado a menos de 50 metros das nascentes e nem em beira de rios. Um reflorestamento bem feito deve respeitar estas regras e ter muita floresta nativa na sua vizinhança. Pois como todo estrangeiro, o Eucalipto pode ser muito apetitoso para os insetos e doenças daqui. A melhor maneira de manter a saúde do reflorestamento é ter a sua volta um ambiente bem equilibrado. Locais próximos onde todas as espécies de bichos se sintam seguras e possam viver em paz. O único jeito de fazer isto é deixar bastante floresta nativa por perto. 3.5. Qualidade da madeira É mais fácil trabalhar com madeira de bom formato, toras retas e com bom diâmetro. Toras muito grossa são muito pesadas, demoram a secar e para carbonizar. !["
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18 condensada na forma de gotas de água bem limpa. Esta água é a umidade que envolve as fibras da madeira e sua perda acontece até 100 a 110oC. Se parar neste ponto vamos ver que a madeira não teve sua estrutura modificada. O peso perdido foi apenas o da umidade. • Torrefação: a madeira vai ficando escura. A celulose que forma as fibras vai sendo alterada e gera água de constituição e gas em pequena quantidade. O condensado na parede do vidro vai ficando amarelado, mostrando que já não é só água. Madeira torrada é o nome técnico para o tiço, que é formado por volta de 240oC; cerca de 15% do peso inicial é perdido até este ponto.Ao observar e analisar o tiço, o peso será menor que o da madeira e bem maior que o do carvão. • Carbonização: Ao chegar próximo a 260 oC a decomposição se intensifica a fumaça escurece, aumenta de volume e fica mais pesada. Esta fumaça ao encontrar a parede fria do vidro se condensa como um óleo marron, é o alcatrão. A madeira vai se tornando negra, ao alcançar 350oC a carbonização está praticamente pronta, pois o carvão já tem 75% de carbono fixo. Cerca de 60% do peso inicial virou fumaça, permanecendo 40% como carvão. Esta fase é exotérmica, ou seja, gera calor enquanto as demais fases consomem calor. • Fixação: O carvão já está pronto mas se continua a ser aquecido e ainda perde voláteis, pincipalmente gás combustível, e aumenta o teor de carbono fixo e cair o rendimento. A 500oC o carvão representa 33% do peso inicial e apresenta carbono fixo de 90%. 6. BALANÇO DE MASSA E ENERGIA DA CARBONIZAÇÃO E SUA APLICAÇÃO A TRÊS MODELOS DE FORNOS Na figura 6.1 é mostrado o balanço de massa e energia da carbonizaçãode madeira com 35% de umidade inicial, as enerrgias ou demandas térmicas são divididas pelas três principais etapas da cinética de carbonização (vide item 5). No final deste calculo se conclui que para carbonizar uma tonelada de madeira anidra é necessario suprir 2,18 MJ de demanda térmica Na figura 6.2 outras demandas térmicas normais nos fornos de carbonização são listadas e calculadas para o forno circular de 5m de diâmetro, para o forno AM-­‐700 e para o Forno DPC. Nesta figura se percebe a grande influencia do material construtivo do forno, do tempo de residência na etapa de carbonização. Foi estimada a fração queimada de subprodutos ou de madeira necessárias para suprir a soma das demandas térmicas. Então chegamos a principal conclusão desta Nota Técnica: Eficiência na conversão da madeira em carvão é dependente da demanda térmica caracteristica de cada forno individualmente. Para alto rendimento é imperativo reduzir a demanda térmica. Assim um forno circular terá rendimentos proximos de 31%, pois a sua relação de área de superfície ppara cada tonelada de madeira enfornada por cada metro quadrado de superfície de forno (57 m2/6,83t = 8,3 m2/t) é bem maior que no forno retangular 19 (738m2/240t =3 m2/t). Então as perdas termicas pela parede do forno circular são bem maiores que do forno retangular. #P"
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25 Cabe aos executivos e técnicos do setor tomar conhecimento dessas limitações e propor mudanças e atitudes com efetiva capacidade de melhoria do processo. Resta, assim, a boa expectativa para que consigam obter toda a potencialidade guardada nesta rica matéria-­‐prima, que é a madeira. REFERÊNCIAS Kreith, Frank – Princípios da Transmissão de Calor – tradução da 3ª edição americana por Yamane, Eitaro et al -­‐São Paulo, Edgar Blucher, 1977. Quern, Donald Q. – Processos de Transmissão de Calor -­‐ Traduzido por Adir M. Luiz – Professor Adjunto da UFRJ – Rio de janeiro, Editora Guanabara Dois S.A., 1980. 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 -­‐ http://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/bitstream/handle/1957/929/FPL_738ocr_rev.p
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