Autores
Vieira, J.S. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Rodrigues, M.R.M. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; e Santos, J.C.S. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Pereira, V.F. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Pereira, A.R. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Macedo, A.E.P. (IFMA-CAMPUS MONTE CASTELO) ; Cesário, V.M. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Moraes, D.S. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA)
Resumo
O setor siderúrgico é o maior consumidor de carvão vegetal visando a produção de
ferro-gusa. Os objetivos deste trabalho foram produzir briquetes a partir de
resíduos de carvão vegetal, caracterizá-los termomecanicamente e investigar a
viabilidade de sua aplicação na siderurgia. À massa base dos briquetes foram
incorporados fibras de cana-de-açúcar e óleo de copaíba. Os briquetes foram
caracterizados físico-químicamente em termos de resistência mecânica. Os corpos de
prova apresentaram boas propriedades mecânicas e energéticas, tornando viável sua
aplicação na siderurgia. A briquetagem produz um combustível renovável, permite o
aproveitamento de resíduos de biomassa e promove o desenvolvimento socioeconômico,
a redução dos impactos ambientais e geração de emprego e renda.
Palavras chaves
Biomassa; Resíduos; Briquetes
Introdução
O carvão vegetal, ou carvão de biomassa, é produzido a partir da madeira pelos
processos de carbonização ou pirólise (SAMI et al., 2001). Ele é uma forma de
energia renovável de expressiva importância no Brasil, uma vez que o nosso país
é o maior produtor mundial desse insumo, com aproximadamente um quarto da
produção mundial, seguido de países como Etiópia, Nigéria e Índia (BAILIS et
al., 2013).
O uso industrial do carvão vegetal ainda é largamente praticado, sendo quase a
totalidade da produção brasileira destinada ao setor siderúrgico para a produção
de ferro-gusa, aço e ferro-ligas. O setor residencial consome cerca de 9%,
seguido pelo setor comercial com 1,5%, sendo representado por pizzarias,
padarias e churrascarias (MACHADO et al., 2010; BAILIS et al., 2013).
Um problema associado à característica física do carvão vegetal é a sua
capacidade de se fragmentar em pequenos pedaços quando submetido a impactos
(friabilidade). Durante a produção, o transporte e o manuseio do carvão produzem
em torno de 25% de finos, o que dificulta ou, até mesmo, inviabiliza a sua
utilização (ROUSSET et al., 2011). Nesse contexto, fica clara a necessidade da
recuperação e reutilização desses finos, uma vez que eles possuem grande
potencial energético e os finos quando descartados inadequadamente podem
impactar negativamente na sustentabilidade ambiental (VIEIRA et al., 2019).
A briquetagem é um método de compactação de materiais finos, que permite a
reutilização dos finos na forma de biocombustível sólido para a geração de
energia térmica ou elétrica, transformando-os em um produto com maior valor
econômico agregado (DERMIBAS, 1999).
O processo de produção de briquetes (produto resultante do processo de
briquetagem) consiste na aplicação de pressão a uma massa de partículas, com ou
sem a adição de ligante e temperatura. A briquetagem do carvão vegetal na forma
de finos se faz a partir da sua compactação com o auxílio de um aglutinante, a
fim de proporcionar a coesão nos briquetes (FONTES et al., 1989). A escolha do
material ligante deve ser realizada de modo que ele não prejudique as
características energéticas dos briquetes (diminuindo o seu poder calorífico ou
aumentando seu teor de voláteis e cinzas) e não gere gastos que inviabilizem
economicamente a produção dos briquetes (FONTES et al., 1984; ONAJI et al.,
1993; PEREIRA et al., 2009).
Apesar de os avanços tecnológicos na produção de carvão vegetal, no Brasil,
continua sendo produzido em fornos rudimentares por meio de processos
deficientes, quanto ao domínio sobre a carbonização ou pirólise da lenha, que
aliados à heterogeneidade do carvão vegetal, característica dos processos
defasados em termos de produção continua, resultam em um produto final com
propriedades físicas e químicas variadas e indesejáveis, principalmente, ao
setor siderúrgico. Dentre os principais problemas relacionados ao controle do
processo produtivo do carvão vegetal, destacam-se a redução da resistência
mecânica e a elevada taxa de friabilidade. Esses parâmetros são responsáveis
pela geração de resíduos finos durante a produção, transporte e alimentação dos
altos-fornos (PICANCIO et al. 2018). O excesso de finos quando injetados no
alto-forno pode obstruir a passagem de ar quente na zona de combustão,
especificamente nas ventaneiras, dificultando a redução dos minérios de ferro
durante a produção de ferro-gusa (UHLIG, GOLDBERG e COELHO, 2008; OLIVEIRA et
al., 2015).
A incorporação de fibras de bagaço de cana-de-açúcar e óleo de copaíba foi o
ponto culminante deste trabalho, cuja justificativa residiu na elevação
termomecânica dos produtos finais obtidos. Tais aditivos visaram contribuir para
o aumento do poder calorífico e da resistência ao impacto do carvão ecológico
(briquete). A adição das fibras e do óleo de copaíba à massa base dos briquetes
fabricados a partir de finos oriundos de carvão de coco babaçu, fécula de
mandioca e água para a obtenção de um carvão ecológico contendo granulometria
uniforme e mais denso, de elevada resistência mecânica devido à inserção das
fibras de cana-de-açúcar e com expressivo poder calorífico em face da adição de
óleo de copaíba é de fundamental importância para aplica-lo na siderurgia.
Uma elevada friabilidade dos briquetes condução à geração de finos que por sua
vez reduz significativamente a resistência mecânica dos briquetes e sua
permeabilidade. A elevação no teor de finos causa obstrução da zona de combustão
do alto-forno, especificamente nas ventaneiras que fornecem ar quente para a
combustão e enorme prejuízo ao processo produtivo de ferro-gusa.
Material e métodos
A matéria-prima utilizada nesta pesquisa foram os resíduos de carvão vegetal que
são deixados na avenida principal e em várias ruas da cidade da região do Alto
Turi maranhense, além dos finos gerados das atividades de carvoejamento. Os
resíduos são descartados e permanecem jogados contribuindo para a degradação
ambiental e higiênica das cidades. A biomassa residual tida como “lixo” foi
coletada e transportada para o Laboratório de Biocombustível do IFMA-Campus Zé
Doca, onde foi reciclada para gerar energia limpa.
COMINUIÇÃO E PENEIRAMENTO
A biomassa residual coletada foi submetida ao processo de secagem em estufa a
105 ± 5 °C durante 2 horas para desumidificação. Após o carvão esfriar, foi
submetido à trituração em um moinho de mandíbulas. Em seguida, o material foi
submetido a um peneiramento na faixa de 1,0 a 0,15 mm. O material com
granulometria a baixo de 0,12 mm foi utilizado para a fabricação dos briquetes.
Preparação da massa base dos briquetes
Inicialmente, cada batelada foi composta de 300g de carvão pulverizado,
aglutinante (fécula de mandioca), fibra de cana-de-açúcar e óleo de copaíba em
proporções adequadas e homogeneizadas em um misturador planetário durante 10
minutos.
2.3.2 Fabricação de corpos de prova
A mistura carvão pulverizado, aglutinante, fibras e óleo de copaíba foi moldada
numa extrusora de alta pressão de compactação. A mistura foi mantida numa
pressão de 150 bars durante 15 minutos.
Em seguida, os corpos de prova foram desmoldados, submetidos à secagem em estufa
a 90°C durante 2 horas. Cada batelada foi composta de 4 amostras (AM1, AM2, AM3
e AM4), sendo que cada amostra foi composta de três corpos de prova (CP1.1,
CP1.2 e CP1.3) moldados em extrusão de baixa compactação
2.4 ANÁLISE QUÍMICA IMEDIATA, UMIDADE E PODER CALORÍFICO
As análises físico-químicas que caracterizam a capacidade energética dos
briquetes produzidos foram determinadas no Laboratório de Engenharia de
Materiais do Departamento de Metal Mecânica (DMM) do IFMA-Campus Monte Castelo.
Os corpos de prova foram caracterizados em termos de análise química imediata
(teor de cinzas, teor de materiais voláteis e teor de carbono fixo), teor de
umidade e resistência mecânica conforme sugerem Adad (1982) e Pinheiro (2009)
RESISTÊNCIA MECÂNICA
Os ensaios de resistência à compressão foram realizados objetivando-se
determinar o comportamento mecânico dos briquetes, quando submetidos à
determinada carga ou esforço. As análises foram realizadas em triplicata em uma
máquina de resistência mecânica, modelo Tira Teste 2024
Os ensaios de compressão mecânica foram realizados aplicando-se uma força
perpendicular à seção do briquete até que ocorresse sua ruptura. A célula de
carga utilizada foi de 5 toneladas, carregamento de 0,50 mm min-1 aplicada no
sentido diametral dos briquetes.
Resultado e discussão
CARACTERIZAÇÃO TERMOMECÂNICA DOS CORPOS DE PROVA
Após a definição das condições quantitativas ótimas para o
processamentos dos briquetes foram formadas quatro amostras (AM1, AM2, AM3, AM4
e AM5), as quais foram constituídas de três corpos de prova perfazendo um total
de 12 corpos de prova. Os referidos corpos de prova foram submetidos aos ensaios
de caracterização em termos de análise química imediata, umidade, poder
calorífico em resistência à compressão. A caracterização termomecânica foi
realizada em triplicata totalizando em média 72 ensaios. A Tabela 1 ilustra os
resultados revelados ao longo da caracterização dos briquetes.
A produção de briquetes pode contribuir para a eliminação de resíduos com
elevado potencial de queima. Os resíduos de biomassa provocam impactos tanto de
ordem social, quanto de ordem ambiental. A geração de resíduos causa impactos
negativos como alteração de paisagem devido à poluição visual, proliferação de
macro e micro vetores, poluição do solo, do ar e dos lençóis freáticos. Os
materiais particulados podem ser dispersos pela ação do vento ou serem liberados
juntamente a gases tóxicos quando os resíduos são queimados. A atividade
madeireira possui altos índices de desperdícios, pois apenas 1/3 da madeira
extraída transforma-se em produto final, enquanto 2/3 dás árvores exploradas
acabam virando sobras ou serragem e na maior parte das vezes, esses resíduos não
possuem destinação correta (MARQUES, 2011).
Como o processo de fabricação de briquetes envolve resíduos de biomassa, um
parâmetro de controle de qualidade a ser considerado é o teor de umidade. De
acordo com Quirino (1991), Lucena et al. (2008) e Oshiro (2016), o teor de
umidade ideal na compactação energética está na faixa de 10 a 12% de água. Os
resultados obtidos para o teor de umidade revelaram uma faixa de 4,07–4,75% de
água. A umidade dos briquetes foi inferior aos resultados encontrados por
Brugnera (2016) em seu estudo da produção de briquetes com resíduos da indústria
de carvão, com aglutinante misto de glicerina bruta e amido de milho, que obteve
umidade na faixa de 7,22 a 8,23%. O teor de umidade elevado contribui
significativamente para a geração de finos, maior consumo de briquetes e
qualidade baixa do ferro-gusa formado (FROEHLICH; MOURA, 2014).
De acordo com Brugnera (2016), o carvão vegetal deve apresentar valores
médios de composição imediata de 25% de materiais voláteis, 5% de cinzas e 70%
de carbono fixo, com poder calorífico em torno de 7.000 Kcal Kg-1 quando
destinado para o setor siderúrgico. Na Tabela 1 observa-se que os briquetes
apresentaram elevado teor de materiais voláteis 38,30 a 49,80%, teor de carbono
fixo baixo (40,74 a 48,75%), baixo teor de cinzas (2,56 – 5,07%) e poder
calorífico menor (5.922 – 6.742 Kcal Kg-1), quando comparado com os valores
médios especificados por Brugnera (2016).
Os dados das análises obtidas para o poder calorífico dos briquetes
fabricados com finos de carvão de coco babaçu, fécula de mandioca e incorporação
de fibras de bagaço de cana-de-açúcar e óleo de copaíba foram satisfatórios e
mais elevados em relação à média para combustíveis sólidos (briquetes) de origem
vegetal destinado para o setor alimentício (padaria, pizzaria e churrascaria),
cerâmico e doméstico, conforme especificou Cortez, Lora e Gomes (2008) que é de
3.749,8 Kcal Kg-1.
O teor de cinzas obtido para os briquetes em estudo foram considerados
bastante elevados quando se trata de aplicação para uso industrial na
siderurgia, cuja especificação média é de 2% de cinzas. O aumento no teor de
cinzas contribui para a ocorrência de álcalis, que desgastam sobremaneira os
tijolos refratários do alto-forno e encarecimento do processo produtivo de
ferro-gusa. O teor de inorgânicos, quantificados como cinzas, representa a
fração incombustível e sua presença deve ser pequena e pouco significativa, pois
contribui para a diminuição do teor calórico do briquete (BRUGNERA, 2016).
O teor de materiais voláteis (38,30 a 49,80%) carbono fixo observado para
briquetes (40,74 a 48,75%) ficou abaixo da média considerada ideal para o setor
siderúrgico que é de 25% conforme descreveram Brito (2002) e Rosa et al. (2012).
Em contra partida, houve redução no teor de carbono fixo (40,74 a 48,75%) e do
poder calorífico (5.922 – 6.742 Kcal Kg-1). Entretanto, tais briquetes podem ser
empregados para queima direta em fogões a lenha, fornalhas de caldeiras, fornos
cerâmicos, pizzarias, padarias, churrascarias e fornalhas de alambique.
Em termos de resistência à compressão, que mede a capacidade dos briquetes
suportarem cargas altas durante o seu uso, a Figura 1 mostra que os corpos de
prova apresentaram resistência mecânica na faixa de 0,58 a 0,76 MPa , ficando
um pouco abaixo da faixa mínima ideal para o setor de siderurgia (0,98 MPA)
indicando a necessidade de inserir um percentual de fibras de bagaço de cana-de-
açúcar maior que 7,0% (percentual utilizado neste trabalho). A Figura 1 mostra
os dados
do teste de compressão de alguns corpos de prova analisados (CP1, CP2 e CP3)
Os valores de deformação máxima revelados para os briquetes analisados revelaram
aspectos visuais análogos. Tais resultados levam-nos a crer que os espaços
intersticiais (porosidade) entre os corpos de prova (briquetes) produzidos são
semelhantes, apesar de terem sofrido deslocamento parecido após atingirem a
capacidade máxima de compactação. Os briquetes estudados se revelaram menos
resistentes (0,58-0,76 MPA)) em relação aos briquetes fabricados por Concentino,
Zanella e Taranto (2017), quando utilizaram pectina, com alto teor de
metoxilação na produção de briquetes, a partir de carvão obtido pela pirólise do
bagaço de laranja (1,77 a 3,35 MPa).
Os parâmetros de qualidade para a produção de carvão vegetal destinado à
siderurgia devem atender a um conjunto de especificações conforme descrito na
norma PQM3-03 da Secretaria de Agricultura e Abastecimento de Estado de São
Paulo (SAA), Resolução SAA n. 10, de 11 de julho de 2003 (SÃO PAULO, 2003) e a
Empresa de Pesquisa Energética (2008). Neste contexto, as características
essenciais do carvão vegetal para atender às especificações das indústrias
metalsiderúrgicas são: 0,5 a 4% de teor de cinzas, 25 a 35% de materiais
voláteis, 70 a 80% de carbono fixo, 1 a 6% de umidade, além de resistência
mecânica entre 0,98 a 7,84 MPa.
Os resultados obtidos durante a caracterização termomecânica dos
briquetes (Tabela 1) revelaram que os briquetes produzidos com a aglutinante
fécula de mandioca impregnados com fibras de cana-de-açúcar e óleo de copaíba
apresentaram resultados significativos em relação aos parâmetros teor de cinzas,
teor de umidade, poder calorífico mais deixaram a desejar quanto ao teor de
materiais voláteis, carbono fixo e resistência mecânica indicando a necessidade
de ajuste na dição de fibras de cana-de-açúcar e de óleo de copaíba, que podem
ter interferido significativamente na elevação de materiais voláteis e redução
do carbono fixo e até mesmo no poder calorífico .
Esta figura retrata os resultados da resistência mecânica dos corpos de prova analisados
Esta tabela faz alusão aos resultados revelados para o perfil termomecânico dos briquetes de carvão vegetal de coco babaçu.
Conclusões
A partir da análise imediata (teor de cinzas, materiais voláteis, carbono fixo e
poder calorífico), do teor de umidade e da resistência mecânica realizadas nos
briquetes produzidos no decurso deste trabalho, foi possível verificar que estes
insumos energéticos apresentaram propriedades que permitem sua aplicação em
diversos setores da economia como na queima de fornalhas de caldeiras, fornos
cerâmicos, pizzarias, padarias, churrascarias e setor doméstico. Para a
aplicação na siderurgia precisa de reforço para aumentar sua resistência
mecânica, o teor de carbono fixo, o poder calorífico e consequentemente a
resistência ao impacto. Estudar a interferência do percentual de fibras de cana-
de-açúcar e de óleo de copaíba na elevação teor de materiais voláteis e
diminuição do teor de carbono fixo e certamente do poder calorífico e
resistência mecânica é de fundamental importância para se adequar os referidos
briquetes para aplicação no setor siderúrgico.
Os briquetes fabricados no decurso deste trabalho revelaram propriedades
mecânicas e energéticas boas, o que nos permite inferir a sua viabilidade na
obtenção de energia renovável a partir desse insumo e reais possibilidades de
empreendedorismo no processamento de conversão termoquímica, uma vez que a
briquetagem produz um combustível renovável, permite o aproveitamento de
resíduos de biomassa e tende a promover o desenvolvimento socioeconômico, a
redução dos impactos ambientais e a geração de emprego e renda.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio e aporte financeiro concedido pela PRPGI, pelo
Campus Zé Doca, pelo DMM-Monte Castelo e pelo GPAQS.
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