Bioenergia com resíduos do desdobro da madeira de Pinus caribaea var. hondurensis

Bioenergy with wood residues from Pinus caribaea var. hondurensis

Mariana Dianese Alves de Moraes¹, Jean Henrrique dos Santos¹, Pedro Augusto Fonseca e Lima¹, Ademilson Coneglian², Aécio Dantas de Sousa Júnior³, Juliana Lorensi do Canto³ e Carlos Roberto Sette Junior^1,*

¹ UFG - Universidade Federal de Goiás. Rodovia Goiânia - Nova Veneza, km 0 - Campus Samambaia – Caixa Postal 131 - 74690-900 - Goiânia, GO, Brasil

² UEG – Universidade Estadual de Goiás – Campus Ipameri. Rodovia GO 330, km 241- Anel Viário  – 75780-000 – Ipameri, GO, Brasil

³ UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. RN 160 – Km 03 – Distrito de Jundiaí - caixa Postal 07 – 59280-000 – Macaíba, RN, Brasil

(*E-mail: crsettejr@hotmail.com)

RESUMO

Palavras-chave: biomassa, energia renovável, briquetes.

ABSTRACT

Forest species of the genus Pinus are the most used in the wood processing industries in Brazil, with the significant generation of residues during the process of wood. The objective of this study was to evaluate the energetic characteristics of the residue of Pinus caribaea var. hondurensis at 40 years and its application in the form of briquette. The proximate analyses, heating value, bulk and energetic density of the wood residue was carried out to subsequent production of briquettes and evaluation of its energetic and physico-mechanical characteristics. The briquetes of wood residues of  P. caribaea var.  hondurensis exhibit physico-mechanical and energetic characteristics that prove to be a viable source for energetic use, with energy density of19,072 MJ.m^-3.

Keywords: biomass, renewable energy, briquette.

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, o Brasil apresentou um avanço na utilização de energias renováveis como a biomassa vegetal para geração de energia (Ministério de Minas e Energia, 2016). Tendo em vista o equilíbrio ambiental e econômico, a busca por novas fontes renováveis de energia se torna cada vez maior e mais importante (Eloy et al., 2015).

A biomassa florestal é uma fonte energética promissora para o Brasil devido à grande quantidade de plantios florestais. As principais espécies madeireiras utilizadas nas indústrias florestais brasileiras são o Pinus e o Eucalipto. No ano de 2016, a área total de florestas plantadas alcançou 7,84 milhões de hectares no Brasil, apresentando um crescimento de 0,5% em relação ao ano de 2015 (Indústria Brasileira de Árvores, 2017). A madeira das espécies florestais plantadas é usada como matéria-prima para a produção de diversos produtos como madeira serrada, painéis reconstituídos e compensados, carvão vegetal, papel e celulose etc. (Fernandez et al., 2016).

Durante o desdobro da madeira nas serrarias, o rendimento varia de 30 a 45% e em processos modernos e otimizados pode atingir 60%; em ambos os casos, a produção de resíduos é significativa (Murara Jr. et al., 2013).

Esses resíduos são gerados em todos os processos de industrialização da madeira e possuem baixo potencial de uso energético, principalmente pela baixa densidade energética (Phanphanic e Mani, 2011). A produção de briquetes a partir dos resíduos gerados do desdobro da madeira é uma das alternativas para o seu melhor aproveitamento energético, pois apresentam melhores características em comparação a outros produtos de biomassa (Toscano et al., 2013; Arranz et al., 2015; Sette Jr. et al., 2016; Bonassa et al., 2018). As técnicas de concentração energética, como a briquetagem, são importantes para a qualidade final do produto para geração de energia. Diversos estudos têm sido realizados visando avaliar o potencial energético de briquetes e pellets constituídos de resíduos madeireiros (Amorim et al., 2015; Da Silva et al., 2015; Spanhol et al., 2015).

A necessidade de mais estudos salienta a importância do presente trabalho que teve como objetivo realizar a caracterização energética do resíduo gerado do desdobro da madeira de Pinus caribaea var. hondurensis (Sénécl.) W.H. Barrett & Golfariaos com 40 anos de idade e o seu aproveitamento na forma de briquetes.

MATERIAL E MÉTODOS

Caracterização da biomassa

A caracterização da biomassa foi realizada utilizando o resíduo do processamento da madeira de Pinus caribaea var. hondurensis aos 40 anos de idade obtido de uma serraria localizada na cidade de Natal, Rio grande do Norte, Brasil, sendo determinados o perfil granulométrico, o teor de umidade de acordo com o preconizado na norma NBR 14929 (ABNT, 2003) e os teores de matérias voláteis, cinzas e carbono fixo, conforme a norma ASTM E872-82 (2013).

A densidade a granel foi determinada de acordo com a NBR 6922/1981 (ABNT, 1981): relação entre a massa de biomassa e o volume conhecido de um recipiente.

O poder calorífico superior (PCS) foi obtido experimentalmente através da bomba calorimétrica, por meio da metodologia estabelecida pela norma ASTM D5865-13 e o poder calorífico inferior (PCI) e útil (PCU) foram determinados de acordo com a metodologia proposta por Sartori et al. (2001), equações 1 e 2, respectivamente:

PCI= PCS-600 (9H/100)                                                                   (1)

PCU = PCI [(100 – U) / 100] – 6*U                                               (2)

Em que:

U = teor de umidade (%)

A densidade energética da biomassa foi calculada a partir do produto entre o valor do PCU e da densidade a granel.

Produção e análise dos briquetes

Para a compactação da biomassa na forma de briquetes, foi utilizado o resíduo de Pinus caribaea var. hondurensis coletado diretamente da serraria, ou seja, com as características de granulometria e teor de umidade no momento do desdobro da madeira. A briquetagem foi realizada em uma briquetadeira de laboratório (marca Lippel; modelo LB-32) com pressão de 140kgf.cm^-2, temperatura de 120°C, tempo de compactação de 5 minutos e resfriamento de 15 minutos com ventilação forçada. As condições de briquetagem foram definidas experimentalmente a partir de testes preliminares de tempo de prensagem e de resfriamento, sendo escolhidos aqueles em que os briquetes apresentaram as melhores formações.

A pressão exercida está dentro da faixa utilizada por diversos trabalhos (Quirino et al.,2012; Freitas et al., 2016). Para cada briquete utilizou-se 40g de biomassa moída, obtendo-se ao final um briquete de aproximadamente 4 cm de comprimento e 3cm de diâmetro, tendo sido produzidos 20 briquetes.

A densidade aparente dos briquetes foi obtida através do método estereométrico, utilizando os dados de volume e massa de cada briquete.

A expansão volumétrica dos briquetes foi calculada pela mensuração da altura e do diâmetro de 5 briquetes e posterior cálculo do volume em dois momentos diferentes: (i) imediatamente após a briquetagem e (ii) 72 horas após a briquetagem – intervalo de tempo necessário para a estabilização dimensional dos briquetes, conforme sugerido por Hansted et al. (2016).

A resistência a tração por compressão diametral foi realizada empregando-se uma máquina universal de ensaios EMIC - DL30000, com célula de carga de 4900 N, a uma velocidade constante de 0,3 mm.min^-1 (Protásio et al., 2011; Quirino et al., 2012), onde uma carga em sentido transversal é aplicada sobre as amostras. O ensaio foi realizado a partir de uma adaptação da norma NBR 7222 (ABNT, 1994) para determinação da resistência a tração por compressão diametral em amostras cilíndricas de concreto e argamassa, uma vez que não existe uma norma específica para resistência a tração para briquetes.

A durabilidade dos briquetes foi determinada por perda de massa das amostras, conforme descrito por Toscano et al. (2013) e Liu et al. (2014): os briquetes foram pesados para a obtenção da massa inicial e levados a uma peneira vibratória, permanecendo por 10 minutos, a 80 rotações por minuto e pesados novamente para a obtenção da massa final, sendo então, calculada a durabilidade pela diferença de massa. A densidade energética dos briquetes foi calculada multiplicando-se o poder calorífico útil da biomassa pela densidade aparente dos briquetes.

Na análise estatística, foram determinados os outliers, a distribuição dos dados e a heterogeneidade da variância. Foi realizada a análise descritiva, onde foram determinadas as médias, mínimo, máximo, desvio padrão e coeficiente de variação das características estudadas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Características do resíduo

O resíduo madeireiro de Pinus caribaea var. hondurensis utilizado neste estudo apresentou um perfil granulométrico constituído por partículas finas, com tamanho inferiores a 1 mm, conforme sugerido por Bergstrom et al. (2008) e Quirino et al. (2012); no qual referenciam que quanto menor o tamanho da partícula da biomassa, melhor são as características físico-mecânicas e energéticas dos briquetes.  Desta forma, o resíduo do desdobro da madeira deste estudo, constituído de partículas finas na sua maioria, podem ser utilizados diretamente para a produção de briquetes com alta qualidade, sem a necessidade de processamento, como trituração e moagem, reduzindo os custos associados ao seu aproveitamento energético.

O teor de umidade é considerado um dos parâmetros mais importantes de um material utilizado para fins energéticos pois o valor do poder calorífico, por exemplo, é inversamente proporcional a quantidade de água presente no material lignocelulósico (De Souza et al., 2012). No presente estudo, o resíduo madeireiro apresentou teor de umidade de 13,8%, próximo ao ideal para a produção de briquetes (12%) conforme recomendado por Da Silva et al. (2015) e Sette Jr. et al. (2018), não sendo necessária a aplicação de métodos de secagem da biomassa antes da sua densificação, reduzindo, da mesma forma, os custos de produção do briquete.

Para aplicações energéticas, além do teor de umidade e do perfil granulométrico do resíduo madeireiro, a química imediata se constitui em parâmetro importante.

O teor de materiais voláteis médio no resíduo encontrado no presente estudo foi de 87,5% com valor mínimo de 81,2%, máximo de 89,4% e desvio padrão de 2,0%. Esses valores estão em consonância com De Souza et al. (2012); Amorim et al. (2015); Oliveiraet al. (2017), estudando Pinus sp., para uso energético, apresentaram valores médios de 82-86%. O alto teor de materiais voláteis apresentado pelo resíduo madeireiro de Pinus caribaea var. hondurensis é importante por ser um facilitador da queima desse material, pois esse parâmetro é o responsável pela ignição do fogo e pela velocidade da combustão (De Souza et al., 2016).

O valor médio de carbono fixo obtido neste trabalho foi de 12,2%, com variação de 9,9%-18,6%. Amorim et al. (2015) estudaram a biomassa de espécies de Pinus e encontraram valores médios de 11,5% para o teor de carbono fixo. Combustíveis com alto índice de carbono fixo apresentam queima mais lenta, implicando maior tempo de residência nos aparelhos de queima, em comparação com outros que tenham menor teor de carbono fixo, como corroborado em estudos conduzidos por Oliveira et al. (2010).

Tendo em consideração o teor de cinzas, o valor médio obtido para os resíduos de Pinus foi de 0,21%, com valor mínimo de 0,17% e máximo de 0,29%. Da Silva et al. (2015) caracterizaram diferentes biomassas para briquetagem e encontraram o valor de 0,23% de teor de cinzas para a biomassa de Pinus sp., corroborando com o obtido neste estudo.

O poder calorífico pode ser analisado na forma de poder calorífico superior, inferior e útil, conforme apresentado na Figura 1.

Em relação ao poder calorífico superior, o resíduo madeireiro de Pinus caribaea var. hondurensis apresentou valor médio de 19,1 MJ.kg^-1; este resultado está de acordo com o encontrado por outros autores que avaliaram o potencial energético da biomassa de Pinus sp. (Amorim et al., 2015).

A partir do poder calorífico superior, obtêm-se o poder calorífico inferior do resíduo madeireiro de 17,7 MJ.kg^-1; Amorim et al. (2015) obtiveram o valor de 16,1 MJ.kg^-1 para Pinus sp., esse valor menor pode ser explicado pela possível contaminação da amostra usada pelos autores por outros resíduos, visto que o material residual foi coletado em serraria junto a outras espécies florestais e também em função da diferença de idade entre os materiais dos dois estudos.

O poder calorífico útil (PCU) é determinado a partir do material úmido, por esse motivo seu valor tende a ser inferior devido ao alto teor de umidade que é eliminado durante o início da combustão, diminuindo a quantidade de energia liberada (Posom et al., 2016). No presente trabalho o valor de PCU obtido foi de 14,9 MJ.kg^-1(considerando o teor de umidade de 13,8% encontrado para a biomassa). De Souza et al. (2012) apresentaram o valor de 16,8 MJ.kg^-1para o poder calorífico útil do resíduo madeireiro de Pinus sp. com teor de umidade de 8,8%, esse valor mais alto está diretamente relacionado com o menor teor de umidade presente no material.

O resíduo madeireiro de Pinus caribaea var. hondurensis apresentou valor médio de 320,5 kg.m^-3 para a densidade a granel. Da Silva et al. (2015) avaliaram a densidade a granel da serragem de Pinus sp. e encontraram o valor de 180 kg.m^-3 (sem indicação da idade da biomassa) e Oliveira et al. (2017) apresentaram valor de 149,8 kg.m^-3 para a biomassa obtida do processamento da madeira de Pinus sp. aos 15 anos de idade.

A diferença nos valores de densidade a granel dos resíduos de Pinus sp. do presente trabalho em relação aos da literatura pode estar relacionada a idade das árvores das quais foram obtidos, pois quanto mais velha a árvore maior será a sua densidade (Trugilho et al., 2015) e também as diferenças de granulometria do matrial.

A densidade energética foi calculada a partir da densidade a granel do resíduo e do poder calorífico útil, com valores médios de 4768,0 MJ.m^-3 para a biomassa de Pinus sp.

A densidade aparente média dos briquetes foi 1280 kg.m^-³ com coeficiente de variação de 2% (Quadro 1); este valor está de acordo com o apresentado por Oliveira et al. (2017) para briquetes de resíduos de Pinus sp. produzidos nas mesmas condições de pressão e temperatura (1220 kg.m^-³).

A densidade aparente dos briquetes foi cerca de 3,7 vezes maior do que a densidade à granel do resíduo de Pinus caribaea var. hondurensis (330 kg.m^-3); este resultado é esperado pois a pressão exercida na compactação da biomassa faz com que a densidade final do briquete seja superior à densidade da biomassa in natura.

A densidade energética média dos briquetes foi de 19072,0 MJ.m^-3 (Quadro 1), este valor foi cerca de 380% maior do que a densidade energética do resíduo não compactado. Sendo assim, esse resultado demonstra que a compactação da biomassa aumenta a densidade energética, ou seja, a quantidade de energia concentrada em uma unidade menor de espaço colocando em evidência as vantagens energéticas do processo de compactação da biomassa (Protásio et al., 2011). Esse resultado também foi observado por outros autores como Fernandez et al. (2016), Freitas et al. (2016) e Oliveira et al. (2017) evidenciando a importância da compactação de materiais lignocelulósicos para fins energéticos.

A expansão volumétrica tende a ocorrer após a briquetagem da biomassa; essa expansão irá variar de acordo com o material utilizado e com as condições de umidade e de armazenamento dos briquetes. A expansão volumétrica média dos briquetes foi de 1,24% (Quadro 1). Fernandez et al. (2016) encontraram valor médio de 13,70% para briquetes de serragem de Pinus sp. produzidos com pressão de 1350 kgf.cm^-2 por 30 segundos, sem aplicação de temperatura e Da Silva et al. (2015) obtiveram valor médio de 7,10% para a expansão de briquetes de serragem de Pinus sp. também produzidos sem influência da temperatura. Por outro lado, Oliveira et al. (2017) apresentaram valor médio de 2,8% de expansão para o resíduo de árvores de 15 anos de Pinus sp. A menor expansão dos briquetes observada neste trabalho indica que as partículas foram bem aglutinadas e que a temperatura aplicada no processo de compactação influencia nesta importante propriedade, como também observado por Fernandez et al. (2016).

A aplicação da temperatura durante o processo de briquetagem faz com que a lignina se torne plástica agindo como um aglutinante das partículas, promovendo maior qualidade dos briquetes e influenciando, por exemplo, na sua resistência mecânica. Em relação a este parâmetro, a resistência à tração por compressão diametral (RTCD) é fundamental para a qualidade dos briquetes pois determina a capacidade de empilhamento e transporte, quanto maior a resistência menor o risco de esfarelamento e perda de material densificado (Soares et al., 2015). Para a RTCD dos briquetes de Pinus caribaea var. hondurensis foi obtido o valor médio de 2,95 MPa. Oliveira et al. (2017) encontraram valor médio de 3,51 MPa para briquetes de serragem de Pinus sp. com as mesmas condições de briquetagem.

Os briquetes produzidos no presente trabalho apresentaram valor médio de durabilidade de 98,9% (Quadro 1). De acordo com a classificação descrita por Oliveira et al. (1992), os briquetes produzidos neste estudo são classificados como pouco friáveis devido aos valores médios de durabilidade, sendo assim, possuem boa durabilidade e baixa perda de massa quando manuseados.

Os parâmetros analisados no presente estudo são fundamentais para a qualidade do produto final para geração de energia e estão de acordo com as normas e especificações técnicas exigidas para a comercialização de materiais densificados apresentadas pela DIN EM ISO 17225-3 para certificação de briquetes de madeira.

CONCLUSÕES

O aproveitamento energético dos resíduos gerados pelo desdobro da madeira é uma alternativa técnica viável, visando a sua destinação correta e com maior valor agregado como bioenergia.

Os briquetes de resíduo madeireiro de Pinus caribaea var. hondurensis apresentam densidade aparente e energética, durabilidade, expansão e resistência mecânica que demonstram a sua viabilidade como fonte energética.

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