Composição Química da Lenha

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

WILHELM ABUD KLEINLEIN

CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS

AMAZNICAS

BELM

2010

ii


CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS AMAZNICAS

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Mecnica da

Universidade Federal do Par para obteno do

ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins

Nogueira, Ph.D.

BELM

2010

iii

Dados Internacionais de catalogao na publicao (CIP), Biblioteca do Mestrado em Engenharia Mecnica/ UFPA, Belm, PA. K64c Kleinlein, Wilhelm Abud

Caracterizao Energtica de Biomassas Amaznicas/ Wilhelm Abud Kleinlein; Orientador Manoel Fernandes Martins Nogueira. Belm, 2010.

Dissertao (mestrado)-Universidade Federal do Par. Instituto de

Tecnologia. Programa de Ps-Graduao Strictu Sensu em Engenharia Mecnica, 2010.

1. Energia-Biomassa. 2. Caracterizao energetica de biomassas. 3.

Anlise termgravimetrica. I. Nogueira, Manoel Fernandes Martins, orientador. II. Ttulo.

CDD 19.ed. ed. 669.94

iv


CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS AMAZNICAS

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Mecnica da

Universidade Federal do Par para obteno do

ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins

Nogueira, Ph.D.

Data de Aprovao

Banca examinadora:

_______________________________________________________- Orientador

Prof. Manoel Fernandes Martins Nogueira Ph. D. (UFPA)

_________________________________________________________

Prof. Humberto Jorge Jos Dr. (UFSC)

Membro Interno

_________________________________________________________

Profa. Daniele Regina da Silva Guerra Dr. (UFPA)

Membro Externo

__________________________________________________________

Prof. Jess Luiz Padilha Msc. (UFPA) Convidado

v

AGRADECIMENTOS

Deus pela sua presena constante na minha vida, sem que eu precise pedir, me dando

foras e iluminando meu caminho, de modo que eu pudesse concluir mais uma etapa da

minha vida.

Aos meus pais, Frederico G. de Souza Kleinlein e Waldira Abud Kleinlein, pelos

ensinamentos e valores repassados desde o inicio da minha vida, e que contribui at hoje para

meu crescimento pessoal e profissional.

Aos meus avs maternos Alfredo Nazir Abud e Esmeraldina Lamela Abud, e Paternos,

Bruno de Souza Kleinlein in memoriam e Benedita de Souza Kleinlein pelo amor e

compreenso a mim dedicados.

minha noiva, Mrcia Cristina O. Tavares pelo seu amor e compreenso nos dias

difceis, e sua motivao para o termino deste trabalho.

Ao professor Manoel F. M. Nogueira, na sua orientao transmitiu seus ensinamentos, e

pelo tempo disponvel e pacincia para eventuais dvidas encontradas com intuito de concluir

este trabalho.

Agradeo a toda equipe do EBMA da UFPa por seu empenho e contribuio a este

trabalho, em especial aos amigos e colegas de trabalho Charles Denys da Luz Alves, Srgio

Aruana Elarrat e Tiago da Silva Santos

Ao Prof. Rmulo Simes Anglica, e a aluna de Mestrado Suzyanne Santos da

Faculdade de Geocincias, pela ajuda nas analises das biomassas. E a todas as outras pessoas

que contriburam direta ou indiretamente na elaborao deste trabalho.

Agradeo tambm aos rgos financiadores, que possibilitaram a manuteno de bolsa:

FINEP que atravs do edital 07/2005 com o projeto: Adaptao e eficientizao de

gaseificadores de topo aberto operando na Amaznia. Ao CNPq que atravs do edital 33/2006

possibilitou o projeto: Combustor Ciclnico com Parede de gua para Gerao de Vapor

Aplicado para Gerao de Energia Eltrica. Pr-engenharia: Desenvolvimento cientfico e

aprimoramento tecnolgico da converso de biomassa em combustveis de maior valor

agregado. PE 109/2008.

Wilhelm Abud Kleinlein

vi

"Mestre no quem sempre ensina, mas quem de repente aprende."

(Guimares Rosa)

A coisa mais indispensvel a um homem reconhecer o uso que deve fazer do seu prprio

conhecimento.

(Plato)

A mente que se abre a uma nova idia jamais volta ao seu tamanho original.

(Albert Einstein)

vii

RESUMO

A biomassa obteve relevncia energtica como combustvel, uma vez que podem ser

produzidas em larga escala e no balano global de carbono no contribui para o efeito estufa.

A maior parte da Amaznia utiliza combustveis fsseis para a produo de eletricidade

atravs de grupos geradores e termoeltricas. Na regio existe uma grande quantidade de

resduos de biomassa proveniente de manejo florestal, industrial e de resduos agrcolas, como

sementes de aa (Euterpe oleracea), casca da castanha-do-par (Bertholletia excelsa),

angelim pedra (Hymenolobium modestum) e jatob (Hymenaea courbaril). A avaliao

principal a ser considerada para uso do resduo de biomassa amaznica como combustvel a

quantificao de suas propriedades. A caracterizao da biomassa energtica realizada

atravs de uma srie de ensaios, entre eles, anlise imediata e elementar, quantificao do

poder calorfico superior e anlise termogravimtrica. Todos os ensaios foram realizados de

acordo com as normas ASTM para biomassas. Este trabalho apresenta a caracterizao de

energtica de 20 espcies diferentes entre madeiras, cascas e semente e bambus. O poder

calorfico superior (PCS) encontrado ficou entre 18,79 e 22,22 MJ/kg. A anlise imediata

apresentou teores de umidade, volteis, carbono fixo e cinzas, entre 14,48 e 6,08%, 91,34 e

50%, 49,65 e 8,44% e 19,77 e 0,14% respectivamente. O resultado da anlise elementar

apresentou teor em carbono entre 52,23 e 44,95%, hidrognio 6,50 e 5,23%, nitrognio entre

6,00 e 0,92%, enxofre entre 0,96 e 0,00%, a frao de oxignio foi obtida por diferena

ficando entre 44,73 e 35,52%. Resultados da anlise termogravimtrica apresentaram o valor

global da energia de ativao entre 110,12 e 267,11 kJ.mol-1

e fator pr-exponencial entre

7,39x105 e 66,44 S

-1 para o processo de pirlise. Com os resultados obtidos pode-se

determinar o valor de PCS com as seguintes equaes = 0,82 + 0,38 + 0,09 e

= 3,07 32,80 120,92 + 6,45 .

Palavra-chave:. Biomassa, Anlise Imediata, Anlise Elementar, Poder Calorfico Superior,

TGA/DTG.

viii

ABSTRACT

Biomass has obtained relevance as energy fuel once it can be produced at large scale and also

does not contribute for the greenhouse effect. Most of the Amazon Region uses fossil fuels to

produce electricity through generators and thermo-electric plants. In the region there is a lot of

waste biomass from forestry, industrial and agricultural waste, such as aa seed (Euterpe

oleracea), castanha-do-par shell (Bertholletia excelsa), angelin pedra (Hymenolobium

modestum) and jatob (Hymenaea courbaril). The main assessment to consider the use of

biomass waste as fuel is the quantification of their energetic properties through an energetic

characterization. The energy characterization of biomass is accomplished through a series of

tests, among them, proximate and ultimate analysis, measurement of calorific value and

thermal analysis performed in accordance with all ASTM standards for biomasses. This paper

presents the energy characteristics of 20 different Amazonian species of wood, bark, seeds

and bamboo. The Higher Heating Value (HHV) was found between 22.22 and 18.79 MJ/kg.

The proximate analysis showed moisture, volatile, fixed carbon and ash, between 14.48 and

6.08%, 91.34 and 50%, 49.65 and 19.77 and 8.44% and 0.14% respectively. The ultimate

analysis result showed carbon content between 52.23 and 44.95%, 6.50 and 5.23% for

hydrogen, nitrogen between 6.00 and 0.92% and sulfur 0.96 from 0.00%, the oxygen fraction

being obtained by difference between 44.73 and 35.52%. Results of thermogravimetric

analysis showed the total energy activation value between 110.12 and 267.11 kJ.mol-1, the

pre-exponential factor (frequency factor) between 66.44 and 7.39 x105 S-1

for the process

pyrolysis. With these results we can determine the value of HHV The following equations

= 0,82 + 0,38 + 0,09 e = 3,07 32,80 120,92 + 6,45 .

Keywords: Biomass, Immediate Analysis, Elemental Analysis, High Heating Value,

TGA/DTG.

ix

SUMRIO

CAPITULO 1: INTRODUO E OBJETIVO ............................................................................... 14

1.1 Introduo:....................................................................................................................................................... 14

1.2 Objetivo: .......................................................................................................................................................... 18

CAPITULO 2: REVISO DA LITERATURA ............................................................................... 19

CAPITULO 3: METODOLOGIA ..................................................................................................... 22

3.1 Procedimento ................................................................................................................................................... 22

3.1.1 Amostragem e preparao ............................................................................................................................ 22

3.1.2 Anlise Imediata ........................................................................................................................................... 24

3.1.2.1 Teor de umidade (%): ................................................................................................................................ 25

3.1.2.2 Teor de Volteis %: ................................................................................................................................... 26

3.1.2.3 Teor de cinzas %: ...................................................................................................................................... 27

3.1.2.4 Teor de carbono fixo %: ............................................................................................................................ 27

3.1.3 Anlise Elementar % mssica C, H, N, S e O ............................................................................................. 28

3.1.4 Poder Calorfico Superior PCS (kJ/kg) ...................................................................................................... 29

3.1.5 Poder Calorfico Inferior (PCI) ..................................................................................................................... 30

3.1.6 Anlise Termogravimtrica Fator de Frequencia (s-1

) e Energia de ativao (kJ/mol). ................................ 31

3.1.6.1 Formulao matemtica utilizada na anlise termogravimtrica. .............................................................. 33

CAPITULO 4: RESULTADOS OBTIDOS ..................................................................................... 35

4.1 Anlise Imediata: ............................................................................................................................................. 35

4.2 Anlise elementar: ........................................................................................................................................... 38

4.3 PCS: ................................................................................................................................................................. 41

4.4 Anlise Termogravimtrica ............................................................................................................................. 43

x

CAPITULO 5: CALCULO DO PCS EM FUNO DOS RESULTADOS ................................... 50

5.1 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar e o conceito de calor de reao. ...................... 50

5.2 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar por regresso. .................................................. 55

CAPITULO 6: DISCUSSO DOS RESULTADOS. ....................................................................... 57

CAPITULO 7: CONCLUSES ......................................................................................................... 59

REFERNCIAS .................................................................................................................................. 60

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Variao da oferta de energia com o tempo (Ministrio das Minas e Energia,

2007) ................................................................................................................................. 14

Figura 1.2 - Acomodao de resduos na linha de produo fonte:

............. 15

Figura 1.3 - Depsito de resduos de serraria. fonte:

.............................................................................. 16

Figura 1.4 Diagrama do processo de combusto de slidos. (Nogueira, 2008). ................... 17

Figura 1.5 Fluxo de calor e reaes qumicas que ocorrem no processo de gasificao.,

(Nogueira, 2008) ............................................................................................................... 17

Figura 1.6 Perda de massa em % de 4 espcies de Bambu com o aumento da temperatura . 18

Figura 2.1 Desenho esquemtico mostrando as diferentes escalas da estrutura hierrquica de

uma arvore resinosas. Adaptado de Harrington (1996) e Rousset (2004). ...................... 19

Figura 3.1 Moinho Triturador, marca Ika Werke, mod. A11-Basic ...................................... 23

Figura 3.2 Conjunto de peneira e fundo, marca Fritsch. ....................................................... 23

Figura 3.3 Balana analtica com quatro casas de preciso, marca OHAUS, mod. AS200. . 24

Figura 3.4 Estufa do LaCBio Marca Odontobrs Mod. EL 1.4............................................. 25

Figura 3.5 Dessecador do Laboratrio LACBio .................................................................... 25

Figura 3.6 Mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100 ............................................................ 26

Figura 3.7 Foto do Analisador Elementar marca Perkin Elmer mod. 2400 Serie II ............. 28

Figura 3.8 Balana analtica mod.: AD-6, ambos da Perkin Elmer. ...................................... 28

Figura 3.9 Esquema simplificado do funcionamento do analisador elementar 2400 da Perkin

Elmer. ............................................................................................................................... 29

Figura 3.10: Sistema da Bomba calorimtrica, marca Ika Werke, mod. C2000 control. ......... 30

Figura 3.11 Balana SETSYS 12 da marca SETARAM localizada no LPF em Braslia-DF.

.......................................................................................................................................... 31

Figura 3.12 Balana da marca Thermal Science, mod. PL-STA localizada no Lab. De

Anlises Trmicas da UFPA. ........................................................................................... 32

Figura 3.13 Curva de TG e DTG do Acido Acetilsaliclico com aquecimento de 10C/min.

Fonte (Ionashiro, 2005). ................................................................................................... 32

xii

Figura 4.1 Grfico comparativo das mostras com o somatrio dos resultados de carbono

fixo, volteis, cinzas e umidade. ....................................................................................... 36

Figura 4.2 Anlise Imediata com destaque para cada tipo de amostra. ................................ 37

Figura 4.3 Somatrio da anlise elementar entre todas as amostras. .................................... 39

Figura 4.4 Comparativo da anlise elementar por espcie. ................................................... 40

Figura 4.5 Grfico comparativo entre PCS e PCI das mostras . ............................................. 42

Figura 4.6 Demonstrativo da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas

analisadas no LPF-DF em ambiente inerte (nitrognio). .................................................. 44

Figura 4.7 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das

biomassas analisadas no LPF-DF apresentando os picos de converso. .......................... 44

Figura 4.8 TGA e DTG do Dendrocalamus Giganteus 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise

trmica da Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ....................................... 45

Figura 4.9 TGA e DTG do Aa 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da

Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ......................................................... 46

Figura 4.10 TGA e DTG da espcie Muiracatiara 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise

trmica da Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ....................................... 46

Figura 4.11 Curva de perda de massa obtida na anlise termogravimtrica no Lab. de anlise

trmica da Faculdade de Geocincias. .............................................................................. 47


amostras de bambus analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.

.......................................................................................................................................... 48


amostras de madeiras analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de

geocincias........................................................................................................................ 49


amostras de sementes analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de

geocincias........................................................................................................................ 49

Figura 5.1 Disperso dos resultados da equaes 5.11.......................................................... 54

Figura 5.2 Disperso dos resultados e regresso da equao5.12. ........................................ 56

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Relao de amostras analisadas. .......................................................................... 22

Tabela 4.1 Resultados da Anlise Imediata das amostras analisadas. ................................... 35

Tabela 4.2 Resultados da anlise elementar das amostras analisadas, com C, H, N, S e O*.

.......................................................................................................................................... 39

Tabela 4.3 Resultados de PCS (kJ/kg) e PCI (kJ/kg) das amostras analisadas, em base seca.

.......................................................................................................................................... 42

Tabela 4.4 Resultados da anlise termogravimtrica das amostras analisadas na UFPA e no

LPF. .................................................................................................................................. 43

Tabela 5.1 valores de entalpia de formao e massa molar dos elementos, 298K. ................ 52

Tabela 5.2 Valores calculados para determinao de A da equao 5.11 e do PCS

considerando os teores de C e H. ...................................................................................... 54

Tabela 5.3 valores de PCS, C e H determinados no LacBio e os valores de PCS calculados

atravs da regresso linear. ............................................................................................... 55

14

CAPITULO 1: INTRODUO E OBJETIVO

1.1 Introduo:

O consumo de energia global teve um incremento a partir do sculo XIX, devido

rpida urbanizao, industrializao e revoluo tecnolgica ocorrida ao redor do mundo.

de grande interesse mundial encontrar alternativas para substituir a atual matriz energtica

baseada em extrao de combustveis fsseis. Segundo o Boletim do Balano Energtico

Nacional (Ministrio das Minas e Energia, 2010), a produo de energia proveniente de lenha e

carvo vegetal foi reduzida em detrimento da energia hidrulica e o petrleo e derivados no

perodo de 1941 2007, Figura 1.1. Atualmente as biomassas representam cerca de 28% da

energia consumida no Brasil (lenha, carvo veg. e produtos da cana), o que equivale a 66,72

milhes de toneladas equivalentes de petrleo (TEP) por ano.

Figura 1.1 Variao da oferta de energia com o tempo (Ministrio das Minas e Energia, 2007)

Segundo Padilha, (2009) no Brasil, a biomassa pode ser considerada o primeiro

combustvel renovvel usado em larga escala, principalmente por ser encontrado na natureza

em abundncia.

15

O Brasil vem buscando novas alternativas para aumentar a diversidade de sua atual

matriz energtica. Dentre as alternativas destacam-se a energia hidroeltrica, elica, solar, e a

utilizao de biomassa (lenha e carvo). Na regio norte, devido s grandes distncias de

algumas localidades torna-se muito onerosa a transmisso energtica, deve-se ento repensar

o uso das termoeltricas ou grupos geradores alimentados por gaseificadores ou leos vegetais

como alternativa.

notvel o grande nmero de serrarias e sua importncia econmica dentre as

atividades produtivas da Amaznia e em particular no Estado do Par. No ano de 2002 a

indstria de desdobramento gerou R$ 5,4 bilhes e em 2004 foram exportados mais de um

milho de toneladas de produto acabado segundo a AIMEX (Padilha, 2006). Juntamente com

essa atividade vem um problema srio que a deposio dos resduos inerentes s suas

respectivas cadeias produtivas. Esses rejeitos, em torno de 50% da massa de entrada do

processo, quando no so queimados em fornalhas tradicionais, so queimados a cu aberto

ou simplesmente amontoados, Figura 1.2 e Figura 1.3. Estas so alternativas pouco eficientes

e ecologicamente imprprias, passveis de taxao pelos rgos ambientais. Deve-se, portanto

promover um programa de aproveitamento destes resduos para fins energticos.

Figura 1.2 - Acomodao de resduos na linha de produo fonte:

16

Figura 1.3 - Depsito de resduos de serraria. fonte:

Entre as alternativas de fonte energtica encontra-se o aa. De acordo com o IBGE (2008)

a produo nacional de frutos da palmeira aa totalizou 108.033 toneladas, em 2007. O

principal produtor foi o Estado do Par, que em 2007 concentrou 86,8% da produo

nacional. A polpa corresponde a 15% do peso total do fruto enquanto o caroo corresponde a

85%, este pode ser utilizado na fabricao de mveis, placas acsticas, xaxim, compensados,

indstria automobilstica, rao animal, alm de uso na gerao de vapor, carvo vegetal e

adubo orgnico entre outros (HOMA, 2005).

Outro tipo de biomassa de interesse energtico o bambu, que por ser uma gramnea, um

vegetal que tem rpido crescimento e fcil multiplicao vegetativa (Varanda L. D, 2009).

Algumas espcies de bambu tem taxas de crescimento muito altas, atingindo sua altura

mxima em cerca de 30 dias para as espcies de pequeno porte, e no mximo 180 dias para as

espcies gigantes, como o Dendrocalamus giganteus. Desta forma pode-se programar o

sistema de colheitas peridicas e deste modo efetuar entre 2 e 12 cortes por ano.

A utilizao de biomassa enquadra-se no contexto da reviso da matriz energtica com

considervel importncia, pois so de fontes renovveis, sendo obtidas de atividades agrcolas

e florestais. O aproveitamento energtico destes resduos pode ser feito convertendo os

componentes da biomassa em gases combustveis, no processo de gaseificao, atravs da

queima direta, na combusto, ou ainda na produo de combustveis lquidos.

Na combusto e/ou gasificao, a biomassa slida convertida em gs ao final do

processo. Estes processos possuem quatro etapas de converso. As etapas que compem a

17

combusto so apresentadas na Figura 1.4, j a seqncia de reaes possveis do processo de

gaseificao so apresentados na Figura 1.5. Esses quatro processos de converso so melhor

identificados em uma balana termogravimtrica. Esta balana mede a variao do peso da

amostra de biomassa enquanto sua temperatura elevada gradativamente. A Figura 1.6

apresentada na seqncia demonstra esta perda de massa em porcentagem.

Figura 1.4 Diagrama do processo de combusto de slidos. (Nogueira, 2008).

Figura 1.5 Fluxo de calor e reaes qumicas que ocorrem no processo de gasificao., (Nogueira, 2008)

Secagem

Biomassa mida

Biomassa

Pirlise

Gs de pirlise carvo

Combusto

C+O2 CO24H+O2 2H2O

CnHm+(n/2+m/4)O2 nCO2+ m/2H2O

REDUO

C+CO22COC+H2OCO+H2

CnHm+nH2OnCO+(m/2+n)H2CnHm+nCO22nCO+m/2H2

H2O

Alcatro

CH4

G

S P

RO

DU

ZID

OCO2H2O

CO

H2

CALOR

H2OBiomassa seca

18

Figura 1.6 Perda de massa em % de 4 espcies de Bambu com o aumento da temperatura

1.2 Objetivo:

O objetivo deste trabalho avaliar o potencial energtico de 20 diferentes espcies de

biomassas da Amaznia por meio de sua caracterizao fisico-quimica.

Determinar a anlise imediata das biomassas;

Determinar a anlise elementar das biomassas;

Determinar o poder calorfico superior das biomassas e correlacion-los com os

parmetros da analise elementar;

Determinar os parmetros cinticos da cintica de pirlise das amostras de biomassas

por meio de termogravimetria

19

CAPITULO 2: REVISO DA LITERATURA

A madeira como uma biomassa vegetal um composto orgnico natural principalmente

constitudo de carbono, hidrognio e oxignio (C3,3-4,9H5,1-7,2O2,0-3,1), os quais combinados

formam as cadeias moleculares que compem a biomassa: celulose, hemicelulose e lignina

(Tillman, 1991). Por ser, a madeira, um compsito natural, as rvores diferem umas das outras

na mesma espcie bem como na mesma regio onde est localizada, caracterizando assim um

individuo, a Figura 2.1 apresenta os cortes de uma arvore.

Figura 2.1 Desenho esquemtico mostrando as diferentes escalas da estrutura hierrquica de uma arvore

resinosas. Adaptado de Harrington (1996) e Rousset (2004).

Segundo Nogueira (2008), o ponto de partida para o dimensionamento de um sistema de

potncia por combusto ou por gasificao a quantificao de quanta energia existe no

combustvel. No caso de processos de combusto, deseja-se converter essa energia em calor,

enquanto que no processo de gasificao deseja-se transferir a energia contida na biomassa

para os gases produzidos que sero processados posteriormente.

20

As anlises fundamentais so o PCS e anlise imediata. Por este motivo todos os

trabalhos realizados, referentes a caracterizao biomassas ou qualquer outro produto como

insumo energtico, impreterivelmente devero conter estas anlises.

Seye O. (2008) apresentou a qualidade energtica de 20 espcies de madeiras nativas do

Estado do Amazonas. O poder calorfico superior foi determinado entre 16,60 e 22,80 MJ/kg,

os resultados dos teores de carbono fixo (%), cinzas (%), umidade (%) e materiais volteis

(%).

Com a utilizao de um analisador elementar em complemento determinao de PCS

e anlise imediata pode-se caracterizar quimicamente a amostra de biomassa. Seye O. et al

(2000) utilizou a anlise imediata, anlise elementar e anlise termogravimtrica como forma

de caracterizar capim elefante, resduo de madeira, bagao e palha de cana-de-acar

realizando assim uma avaliao comparativa entre estas biomassas indicando quais podem

servir como insumo na produo de carvo vegetal, e quais podem servir para produzir bio-

leo. J Santos E. et al, (2007) realizou anlise de PCS, anlise elementar e massa especfica

de 11 espcies amaznicas lenhosas, que foram pr-selecionadas a partir do banco de dados

do Centro de Desenvolvimento Energtico Amaznico CDEAM. Os valores de poder

calorfico que foram obtidos ficaram bem prximos entre si, variando numa faixa de 15,30

MJ/kg a 18,75 MJ/kg.

Com relao s termoanlises, Vrhegyi G., et al, (1997) que discutiu a decomposio

trmica de materiais ligninocelulsico e os componentes principais de biomassa. Leiva, C.

(2005), caracterizou o comportamento e diferentes leos combustveis atravs da

termogravimtrica com diversas taxas de aquecimento variando de 2 C/min. at 80 C/min.,

onde pode-se observar a influencia da temperatura na cintica de decomposio trmica das

amostras, e com isso determinar da Energia de Ativao como funo do grau de converso

() da biomassa de forma a usar este parmetro para apontar uma tendncia do

comportamento e caracterizar diferentes amostras liquidas ou solidas. Riegel,I. et al, (2008),

apresentou parmetros cinticos da decomposio da accia-negra em ensaios isotrmicos1

realizados com temperaturas entre 250 e 750C por 2h, e em ensaios dinmicos2 variando da

1 A amostra elevada a temperatura em que ser realizada a anlise e permanece nesta temperatura por um

tempo determinado para que ocorra a sua converso. 2 A amostra aquecida progressivamente com taxa de aquecimento pr-determinada desde temp. ambiente at

uma temp. final verificando assim sua converso.

21

temperatura ambiente at 900C com vrias taxas de aquecimento. Os resultados isotrmicos

ficaram prximos dos resultados dos ensaios dinmicos.

Quirino, W. F. (2000) realizou a degradao da madeira de htre (uma folhosa

comercial europia) e de trs resduos de processos diversos, com o intuito de pesquisar as

condies timas da degradao piroltica e quantificar as composies dos efluentes gasosos,

do slido residual bem como certas caractersticas fsico-qumicas do mesmo. Resende,

F.L.P., (2003), utilizou os dados experimentais obtidos de curvas de TGA de Bagao e palha

de cana, Capim-elefante e Serragem para construo de um modelo matemtico que possa

predizer o comportamento cintico destas biomassas quando degradadas em gaseificadores de

Leito Fluidizado para uso do gs de sntese.

Um pequeno nmero de correlaes entre o valor de PCS e anlises elementar e

imediata para biomassas so encontrados na literatura. Estas anlises se concentraram em um

nico tipo de combustvel ou depende do pas de origem. Demirbas A. (1997) caracterizou

atravs da anlise elementar e imediata, 16 amostras de biomassas obtidas de diferentes fontes

da Turquia para criar uma correlao que determine o valor de PCS. Do mesmo modo Parikh

J. (2004) se valeu dos mesmos tipos de anlise para formatar uma equao que relacione

carbono fixo, volteis e cinzas com o PCS medido, neste caso foram utilizadas 100 amostras

diversas origens, entre carvo, madeiras e outros tipos de biomassas. Friedl A. et al. (2005),

realizou analise imediata e PCS de 154 amostras de 11 espcies de biomassas e misturas

diferentes, obtendo uma equao emprica.

Este trabalho d inicio a uma linha de pesquisa que realizar a caracterizao completa

das biomassas amaznicas que hoje tem uma cadeia produtiva. Com o objetivo de fornecer

dados que contribuam para uma melhor escolha de acordo com a biomassa disponvel como

combustvel. Ser tambm o primeiro trabalho da UFPA a propor um equacionamento para

determinao de PCS com relao a analise elementar das biomassas amaznicas.

22

CAPITULO 3: METODOLOGIA

3.1 Procedimento

3.1.1 Amostragem e preparao

Para otimizar os resultados das anlises realizadas as amostras foram divididas em trs

tipos; madeiras, casca e caroos e bambus, que so apresentadas na Tabela 3.1. As amostras

de madeiras utilizadas neste trabalho foram coletadas na forma de aparas em duas marcenarias

da cidade de Belm Pa, estando acondicionada em prateleiras onde epois seriam usadas. O

primeiro ponto de coleta fica localizado na Av. Fernando Guilhon, n 1.605 de propriedade do

Sr. Guilherme. O segundo ponto de coleta est localizado na Av. Perimetral, SN, em frente ao

4 porto da UFPA de propriedade do Sr. Ariel dos Santos. A amostra de casca de cco foi

coletada na feira do conj. Presidente Mdici no bairro da Marambaia. A amostra de caroo de

aa utilizada foi coletada na Av. Bernardo Sayo pelo mestrando Charles Denys. A amostra

de casca de castanha do Par foi coletada na Benedito Mutran & Cia. Ltda localizada na Av.

Bernado Sayo, n 4.800. As amostras de tucum, dend babau e caroo de inaj utilizadas

so do banco de amostras do LacBio - laboratrio de caracterizao de biomassa localizado

no laboratrio de Engenharia Mecnica da UFPA, estando armazenadas em caixas abaixo da

bancada do laboratrio. As espcies de bambu foram enviadas por correio em sacos plsticos

embalados vcuo pelo prof. Waldir Quirino do Laboratrio de Produtos Florestais do

Servio Florestal Brasileiro em Braslia DF.

Tabela 3.1 Relao de amostras analisadas.

TIPO NOME COMUM NOME CIENTFICO FAMLIA

Mad

eira

s

IP Tabebuia serratifolia Bignoniaceae

JATOB Hymenaea courbaril Caesalpiniaceae

TATAJUBA Bagassa guianensis Moraceae

ANGELIM VERMELHO Dinizia excelsa Mimosaceae

ANGELIM PEDRA Hymenolobium modestum Fabaceae

MARUP Simarouba amara Simaroubaceae

(continua)

23

(continuao)

TIPO NOME COMUM NOME CIENTFICO FAMLIA M

ad

eira

s

LOURO Ocotea sp. Lauraceae

CEDRO Cedrela sp. Meliaceae

MOGNO Swietenia macrophylla Meliaceae

ANDIROBA Carapa guianensis Meliaceae

TIMBORANA Piptadenia suaveolens Mimosaceae

Ca

sca

s e

Ca

roo

s

CAROO DE AA Euterpe oleracea Arecaceae

TUCUM Astrocaryum aculeatum Arecaceae

DEND Elaeis guineensis Arecaceae

CASCA DE COCO Cocos nucifera Arecaceae

CAST. DO PAR Bertholletia excelsa Lecythidaceae

Ba

mb

us BAMBU 1 Bambusa Vulgaris Vulgaris Poaceae

BAMBU 2 Bambusa Vulgaris Vittata Poaceae

BAMBU 3 Guadua Sacocarpa Poaceae

BAMBU 4 Dendrocalamus Gigantus Poaceae

Fonte: banco de dados de madeiras brasileiras

A preparao da amostra foi feita de acordo com o mtodo A da norma ASTM E

1757-01, para amostras com quantidades acima de 20g.

Nesta fase, foram utilizados um moinho triturador da Ika Werke mod. A11-Basic

(Figura 3.1), peneiras com abertura mesh 20, mesh 80 e fundo (Figura 3.2), placas de petri

para armazenagem da amostra, e balana da marca OHAUS mod. AS200 com preciso de

0,0004g, (Figura 3.3).

Figura 3.1 Moinho Triturador, marca Ika

Werke, mod. A11-Basic

Figura 3.2 Conjunto de peneira e fundo, marca

Fritsch.

24

Figura 3.3 Balana analtica com quatro casas de preciso, marca OHAUS, mod. AS200.

As amostras foram espalhadas para secagem em temperatura ambiente, a uma altura de

15cm durante pelo menos 24hs. Na seqncia o material foi colocado na estufa para

determinao de umidade. Em seguida o material seco foi colocado no triturador e peneirado.

As peneiras foram colocadas no agitador na seguinte ordem: tampa superior, mesh 20, mesh

80 e fundo, sendo ento agitadas por 15 1 min.

Ao fim do perodo a frao retina na peneira mesh 20 devera ser reprocessada, a frao

retida na peneira mesh 80 foi retirada para ser usada na anlise imediata (volteis e carbono

fixo) e os finos que ficaram no fundo da peneira foram separados para anlise de cinzas. A

percentagem da frao de biomassa utilizada dada pela equao 3.1.

2080

% = 2080

100% 2080

+ 80 (3.1)

Onde:

2080

= o peso, em gramas, da massa retida na peneira mesh 80.

80 = o peso, em gramas, da massa retida no fundo da peneira.

3.1.2 Anlise Imediata

A anlise imediata utilizada para mensurar a quantidade de umidade, volteis, carbono

fixo e cinzas na amostra. Neste trabalho so utilizadas as normas ASTM E 871 82, E 872

82 e E 1755 01 e todas as anlises so feitas em triplicata e o valor apresentado a mdia

simples entre dos resultados encontrados.

25

3.1.2.1 Teor de umidade (%):

Aps a preparao como especificado acima, a placa de petri foi colocada na estufa,

marca: Odontobrs, Mod. EL 1.4 (Figura 3.4), por 30 min. com temperatura de 103 1 C,

em seguida deixa-a resfriar no dessecador (Figura 3.5) para equilibrar com a temperatura da

sala para depois ser pesada. Uma amostra de no mnimo 50g na placa de petri e pesa-se o

conjunto. O conjunto ento colocado na estufa novamente a temperatura de 103 1C por

16h, pesado e recolocado na estufa por mais 2h e pesado novamente. O processo repetido

at que o peso final tenha variao menor que 0,2%. O clculo da porcentagem de umidade na

amostra dada pela equao 3.2:

= 100 (3.2)

Onde:

= massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g.

= massa da placa de petri, g,

Figura 3.4 Estufa do LaCBio Marca

Odontobrs Mod. EL 1.4

Figura 3.5 Dessecador do Laboratrio LACBio

26

3.1.2.2 Teor de Volteis %:

Este procedimento usado para determinar a porcentagem de produtos volteis gasosos

provenientes da pirlise da biomassa em ambiente controlado, com exceo da umidade.

Primeiro pesa-se o cadinho com a tampa e o valor anotado. A balana ento zerada e

coloca-se aproximadamente 1g da amostra seca no cadinho que em seguida tampado e

pesado novamente. Este valor anotado tambm. O cadinho tampado com a amostra

colocado dentro de uma mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100 (Figura 3.6) a uma

temperatura de 950 20C por exatamente 7 min. Aps este tempo o cadinho retirado e

colocado dentro do dessecador para resfriar. Quando sua temperatura est equilibrada com a

do ambiente ele pesado novamente e o valor anotado. O clculo da porcentagem de perda

de massa na amostra dada pela equao 3.3:

= 100 (3.3)

Onde:

= massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g. = massa do cadinho com tampa, g,

Figura 3.6 Mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100

27

3.1.2.3 Teor de cinzas %:

O teor de cinzas a medida do contedo mineral e outras matrias inorgnicas contidas

na biomassa. A amostra a ser analisada dever estar seca 105C e armazenadas em um

dessecador at a sua utilizao de acordo com a norma E 1757. Este mtodo inclui a

determinao das cinzas, expressa em percentagem da massa seca do resduo remanescente

aps oxidao em 575 25C por 3 h.

O cadinho colocado no forno mufla j apresentado acima na Figura 3.6 575 25C

durante 3 h. Em seguida retirado e colocado no dessecador at estabilizar a temperatura e,

em seguida, pesa-se o cadinho e a sua massa anotada. Pesa-se aproximadamente 0,5 a 1,0 g,

de uma amostra no cadinho. Anota-se a massa (cadinho mais massa da amostra) como sendo a

massa inicial. O recipiente com contedo deve ser colocado no forno mufla a 575 25C

durante um mnimo de 3 horas, ou at que todo o carbono seja eliminado. Tomando cuidado

para evitar perda de amostra, retira-se cadinho com o seu contedo para um dessecador at o

equilbrio com a temperatura ambiente. A massa ento pesada e anotada. O aquecimento

repetido por perodos de uma hora at que a massa aps o resfriamento seja constante. A

massa final das cinzas anotada como sendo, o recipiente mais cinzas. O clculo da

porcentagem de cinzas na amostra dada pela equao 3.4.

= 100 (3.4)

Onde:

= porcentagem de cinzas, em relao massa uma amostra seca a 105C, = massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g. = massa do cadinho, g,

3.1.2.4 Teor de carbono fixo %:

O teor de carbono fixo obtido por diferena entre a totalidade (100%) e a porcentagem

de volteis e cinzas, conforme a equao 3.5.

28

= 100 + (3.5)

Onde:

= porcentagem de carbono fixo na amostra, = porcentagem de volteis, = porcentagem de cinzas.

3.1.3 Anlise Elementar % mssica C, H, N, S e O

A anlise elementar foi realizada por um analisador elementar modelo 2400 Series II

CHNS/O da Perkin Elmer conforme a Figura 3.7, localizado no Laboratrio de

Caracterizao de Biomassa da Faculdade de Engenharia Mecnica em triplicata. A anlise

feita com 1,5 3mg de a amostra pesada em uma balana analtica de 6 casas decimais, marca

Perkin Elmer, mod. AD-6, de acordo com a Figura 3.8. Os resultados apresentados so a

mdia simples. Todo o processo apresentado de forma simplificada na Figura 3.9. Neste

trabalho alm do oxignio, foi utilizado hlio como gs de arraste

Figura 3.7 Foto do Analisador Elementar

marca Perkin Elmer mod. 2400 Serie II

Figura 3.8 Balana analtica mod.: AD-6,

ambos da Perkin Elmer.

29

A amostra oxidada a 975C em um tubo de quartzo na presena de oxignio um pouco

acima da razo estequiomtrica. A oxidao completa otimizada por um catalisador que

composto de xido de tungstnio e xido de zircnio (EA6000). O fluxo de gs que deixa a

rea de combusto inclui o dixido de carbono, gua, xidos de nitrognio e um excesso de

oxignio. A mistura de gases resultantes da combusto flui atravs de um tubo de quartzo

onde esto embalados os grnulos de cobre que retm o excesso de oxignio. O xido de

azoto (NO2) reduzido para nitrognio gasoso (N2) e os xidos de enxofre (SOx) so

reduzidos para dixido de enxofre (SO2). A mistura de gases levada pelo hlio sob presso

para um reator de mistura e na seqncia transferido para um sistema de cromatografia de fase

gasosa. Os elementos N, C, H e S que esto no estado de gs, N2, CO2, H2O e SO2, so

separados por uma coluna de GC empacotada associada a um detector de condutividade

trmica. Oxignio da amostra medido separadamente trocando a coluna por outra com

outras quantidades de reagentes ou poder ser obtida por diferena.

Figura 3.9 Esquema simplificado do funcionamento do analisador elementar 2400 da Perkin Elmer.

3.1.4 Poder Calorfico Superior PCS (kJ/kg)

O PCS a quantidade total de energia disponvel em um combustvel, sonde a soma da

energia libertada na forma de calor mais a energia gasta na vaporizao da gua que se forma

na reao de oxidao. A determinao do PCS foi realizada em triplicata seguindo o que

determina a norma E711-87 (Standard Test Method for Gross Calorific Value of Refuse-

30

Derived Fuel by the Bomb Calorimeter) da ASTM. Foi utilizada uma bomba calorimtrica

Modelo C2000 Control, da empresa Ika Werke como apresentado na Figura 3.10. No manual do

equipamento o erro mdio

31

3.1.6 Anlise Termogravimtrica Fator de Frequencia (s-1) e Energia de ativao (kJ/mol).

Os experimentos termogravimtricos foram realizados em duas etapas a primeira no

Laboratrio de Produtos Florestais do Servio Florestal Brasileiro em Braslia DF, com uma

termobalana modelo SETSYS 12 da marca SETARAM (Figura 3.11), a segunda etapa foi

realizada foi realizada no sub-laboratrio de anlises trmicas da Faculdade de Geocincias da

UFPA em uma balana de marca Thermal Science mod. PL-STA (Figura 3.12).

As termobalanas so instrumentos que permitem a pesagem contnua de uma amostra em

funo da temperatura. Aps a pesagem inicial da amostra a ser analisada, a anlise

termogravimtrica realizada colocando essa amostra dentro de um forno e definindo a taxa

de aquecimento em K/min que deve ser aplicada. A medio realizada em uma atmosfera

definida, sendo em condies inertes (Nitrognio, Hlio ou Argnio) ou em um ambiente

oxidativo (ar ou oxignio) com vazes baixas para que no haja interferncia na leitura do

equipamento (Ionashiro, 2005). Neste trabalho foi utilizado o nitrognio como gs de arraste

tanto no laboratrio do Servio Florestal Brasileiro quanto no laboratrio da Faculdade de

Geocincias da UFPA.

Figura 3.11 Balana SETSYS 12 da marca SETARAM localizada no LPF em Braslia-DF.

32

Figura 3.12 Balana da marca Thermal Science, mod. PL-STA localizada no Lab. De Anlises Trmicas

da UFPA.

A balana termogravimtrica gera dois tipos de grfico que permite tirar concluses

sobre a estabilidade trmica da amostra, sobre a composio e estabilidade dos compostos

volteis (celulose, hemicelulose e lignuna), obtendo informaes sobre a temperatura de

degradao e sobre a quantidade de produtos e\ou resduos (cinzas) ao fim da reao. O

primeiro caracteriza a perda de massa em funo da temperatura (TG) mostrada no alto da

Figura 3.13. O segundo a primeira derivada da curva de perda de massa tambm em funo

da temperatura (DTG), apresentado na parte baixa da Figura 3.13, onde os picos de

temperatura identificam cada etapa de reao com inicio, fim e o momento em que a

velocidade mxima.

Figura 3.13 Curva de TG e DTG do Acido Acetilsaliclico com aquecimento de 10C/min. Fonte

(Ionashiro, 2005).

33

3.1.6.1 Formulao matemtica utilizada na anlise termogravimtrica.

O procedimento matemtico utilizado para a anlise dos dados termogravimtricos que

iro determinar os parmetros cinticos baseia-se inicialmente no mtodo integral utilizado

por Seye O (2008) e j citado por vrios autores dentre eles Bilbao, R. (1987, I e II) e (1989). A

velocidade de reao ou taxa de converso

correspondente decomposio trmica do

solido descrita como o produto entre duas funes uma dependente da temperatura, e,

outra, dependente da converso, (Riegel, 2008), equao 3.7.

= (3.7)

Onde a frao pirolisada, em cada instante de tempo, para diferentes temperaturas e

definida como:

=

(3.8)

Onde:

a massa inicial da amostra (mg); a massa da amostra num tempo t qualquer (mg); a massa final da amostra (mg).

De acordo com a relao de Arrhenius, o termo dependente da temperatura, ,

dado pela expresso 3.9.

= (3.9)

Onde:

o fator de frequncia pr-exponencial; a energia de ativao e; a constante universal dos gases.

Substituindo 3.9 em 3.7, temos:

=

(3.10)

Rearranjando os termos, temos a equao da variao do grau de transformao de um

slido em funo da temperatura.

34

=

(3.11)

Devido a complexidade da reao de pirlise, a funo ser assumida como uma

reao que obedece uma cintica de 1 ordem para o tratamento dos dados isotrmicos,

ficando a funo na forma abaixo:

= 1 (3.12)

Ficando ento a equao:

1 =

(3.13)

Aplicando-se ento o logartmo neperiano nos dois lados da equao tem-se:

1 =

(3.14)

Utilizando os valores experimentais de e d/dt, o grfico em funo de 1/T d uma

reta cuja inclinao igual e o ponto onde a reta toca a ordenada igual ln(A).

35

CAPITULO 4: RESULTADOS OBTIDOS

Neste capitulo, so apresentados os resultados da determinao da anlise imediata

(umidade, volteis, carbono fixo e cinzas), anlise elementar (carbono, hidrognio, nitrognio,

enxofre e oxignio), poder calorfico superior, poder calorfico inferior, e anlise

termogravimtrica das biomassas escolhidas.

4.1 Anlise Imediata:

Com relao aos resultados obtidos com a anlise imediata, a umidade e as cinzas

contribuem para a diminuio do valor do PCS enquanto os valores de volteis e carbono fixo

contribuem para o aumento do PCS. Os resultados desta anlise imediata so apresentados

abaixo na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 Resultados da Anlise Imediata das amostras analisadas.

UMID. C. FIXO VOL CZ

MA

DE

IRA

S

MOGNO 11,29 17,02 82,55 0,44

ANDIROBA 9,11 15,92 83,42 0,66

TIMBORANA 13,55 49,651 502 0,36

IP 8,95 8,442 91,341 0,21

JATOB 9,40 20,57 79,06 0,37

TATAJUBA 7,88 18,83 80,65 0,52

ANG. VERM 8,27 14,86 82,90 2,24

ANG. PEDRA 10,01 16,53 82,94 0,53

MARUP 9,41 12,38 87,42 0,20

LOURO 9,23 19,69 79,81 0,50

CEDRO 9,46 14,72 84,75 0,53

CA

SC

AS

E

CA

RO

O

S AAI 9,32 19,91 78,88 1,21

CAST. DO PAR 14,481 13,55 66,68 19,771

TUCUM 6,082 17,02 78,56 4,42

DEND 10,99 19,55 77,92 2,53

CASC DE COCO 10,53 20,41 79,45 0,142

BA

MB

US

BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 11,91 18,47 80,13 1,39

BAMUSA VULGARIS VITTATA 11,39 16,97 81,64 1,39

GUADUA SACOCARPA 7,74 17,96 78,63 3,41

DENDROCALAMUS GIGANTEUS 10,34 19,09 79,73 1,18

1 valores mximos. 2 valores mnimos.

36

A Figura 4.1 abaixo, apresenta os resultados comparativos de todas as biomassas, dentre

os valores que contribuem para o aumento do PCS o maior resultado de carbono fixo foi

encontrado na espcie Timborana com 49,65% e o menor resultado foi na espcie Ip com

8,44%, indicando que a Timborana poder ter melhor aproveitamento na produo de carvo

vegetal. Com relao aos volteis, o Ip apresentou o melhor resultado com 91,34%, e o

menor valor encontrado foi na espcie Timborana com 50,00%, indicando que o Ip ser

melhor aproveitado na produo de energia na combusto.

Com relao aos teores de umidade e cinzas, que influenciam na diminuio da energia

disponvel da biomassa. A umidade por absorver calor que estaria disponvel e causando

corroso nas tubulaes. As cinzas comprometem os equipamentos com incrustaes, tambm

absorvem calor e facilitam a corroso proveniente da umidade.

A biomassa que detm o maior teor de umidade a castanha-do-par com 14,48% (este

valor deve-se provavelmente ao processamento de extrao da amndoa), e o menor teor foi

encontrado no Tucum com 6,08%. Quanto ao teor de cinzas encontrado nas biomassas, a

castanha do Par obteve o maior percentual com 19,77%, o que pode ser devido ao mtodo de

coleta e transporte da castanha, o menor percentual de cinzas foi encontrado na casca de cco

com 0,14%, este valor deve-se ao fato da casca dura analisada ficar protegida pela parte

fibrosa.

Figura 4.1 Grfico comparativo das mostras com o somatrio dos resultados de carbono fixo, volteis, cinzas e umidade.

37

Os resultados das amostras quando so analisados por tipo so apresentados abaixo na

Figura 4.2, as espcies de madeiras Ip e Timborana so as que apresentam os maiores e

menores teores de carbono fixo e volteis como informado no pargrafo acima. Com relao

ao resultado de umidade o maior valor obtido foi na amostra de Timborana com 13,55% e o

menor valor foi encontrado na amostra de Tatajuba com 7,88%, quanto aos resultados obtidos

de cinzas o maior valor encontrado foi 2,24% na amostra de Angelim Vermelho e o menor

valor foi 0,20% encontrado nas espcies Marup e Muiracatiara.

Nas amostras dos tipos cascas e caroos o maior teor de carbono fixo foi de 20,41% e

79,45% de volteis foram encontrados nas amostras de casca de cco, e os menores valores

foram 13,55% e 66,68% de carbono fixo e volteis respectivamente encontrados na amostra

de castanha-do-par. Com relao umidade o maior valor determinado foi 14,48% na

amostra de castanha-do-par e o menor foi 6,08% na espcie Tucum.

Com relao aos resultados das espcies de bambu o maior teor de carbono fixo

19,09% foi encontrado na espcie Dendrocalamus Giganteus, e o menor foi 16,97%

encontrado na espcie Vulgaris Vittata. Com relao ao teor de volteis o maior valor foi

81,64% e o menor foi 78,63% nas especies Vulgaris Vulgaris e Guadua Sacocarpa

respectivamente. Na determinao de umidade 11,91% na espcie Vulgaris Vulgaris e 7,74%

na espcie Guadua Sacocarpa so o maior e menor valores encontrados respectivamente. Na

determinao de cinzas, 3,41% na espcie Guadua Sacocarpa, e 1,18% na espcie

Dendrocalamus Giganteus so o maior e o menor valores encontrados respectivamente.

Figura 4.2 Anlise Imediata com destaque para cada tipo de amostra.

38

Os valores mdios de umidade, carbono fixo, volteis e cinzas so respectivamente:

10,09%, 17,96%, 80,06% e 1,98%. Em relao aos valores mdios, a variao encontrada nos

resultados de umidade foi de 43% para mais e 40% para menos, para o carbono fixo a

variao foi de 176% para mais e 54% para menos. Em relao aos volteis 14% para mais e

38% para menos. Com relao ao teor de cinzas a variao encontrada foi de 897% para mais

e 97% para menos. Estes resultados tm uma variao muito alta devido aos valores que se

desviam da media das amostras.

4.2 Anlise elementar:

Os resultados obtidos atravs do analisador elementar so utilizados para montar a

frmula molecular, bem como calcular o PCI das amostras, os resultados encontrados so

apresentados abaixo na Tabela 4.2. Dentre todas as biomassas o maior valor de carbono foi

encontrado na espcie Ip com 52,23%, e o menor valor foi 44,95% no bambu Guadua

Sacocarpa. Para o hidrognio o maior valor foi 6,50% no Tucum e o menor foi 5,23% na

casca de castanha-do-par, em relao ao nitrognio, 6,00% foi o maior valor e 0,92% o

menor valor, encontrados nas espcies Dend e bambu Vulgaris Vulgaris, respectivamente. O

enxofre ficou no limite de deteco do aparelho com mximo encontrado de 0,96% no Dend

e mnimo de 0,00% na Casca de Coco. Os valores de oxignio foram obtidos por diferena,

ficando 44,73% para o bambu Vulgaris Vulgaris como maior valor e 35,52% no Ip como

menor valor.

39

Tabela 4.2 Resultados da anlise elementar das amostras analisadas, com C, H, N, S e O*.

% C % H % N % S % O*

MA

DE

IRA

S

MOGNO 50,06 6,19 4,04 0,85 38,87

ANDIROBA 48,93 6,11 5,03 0,52 39,41

TIMBORANA 49,52 6,30 5,49 0,75 37,94

IP 52,231 6,08 5,47 0,69 35,522

JATOB 50,17 5,77 4,97 0,67 38,42

TATAJUBA 49,50 6,06 3,34 0,79 40,31

ANG. VERM 48,44 6,22 4,48 0,90 39,96

ANG. PEDRA 49,15 6,26 3,88 0,86 39,85

MARUP 48,53 6,28 4,13 0,73 40,33

LOURO 48,43 6,13 4,24 0,79 40,42

CEDRO 50,10 6,34 3,73 0,82 39,01

CA

SC

AS

E

CA

RO

O

S

AAI 46,17 6,01 4,33 0,13 43,37

CAST. DO PAR 49,93 5,232 4,98 0,78 39,08

TUCUM 51,35 6,501 5,18 0,11 36,86

DEND 49,56 5,96 6,001 0,961 37,53

CASC DE COCO 51,22 5,71 5,05 0,002 38,17

BA

MB

US

BAMBUSA VULGARIS

VULGARIS 47,61 5,97 0,922 0,77 44,731

BAMUSA VULGARIS

VITTATA 47,48 6,14 3,53 0,82 42,03

GUADUA SACOCARPA 44,952 5,90 3,90 0,77 44,47

DENDROCALAMUS

GIGANTEUS 47,82 6,15 3,71 0,83 41,49


A Figura 4.3, na seqncia, apresenta o somatrio comparativo entre todas as

biomassas, e na seqncia deste captulo sero apresentados os resultados por tipo.

Figura 4.3 Somatrio da anlise elementar entre todas as amostras.

40

Na Figura 4.4 abaixo, os resultados so apresentados com destaque para os tipos de

amostras. Para as madeiras, o maior teor de carbono 52,23% e menor teor de oxignio

35,52%, foram encontrados na espcie Ip. Ao contrrio, o menor teor de carbono 48,43% e

maior teor de oxignio 40,42% foram encontrados na amostra de Louro. A espcie Cedro

apresentou o maior teor de hidrognio, com 6,34% e o Jatob o menor com 5,77%. A amostra

de Timborana apresentou o maior teor de nitrognio, 5,49%. A amostra de Tatajuba com

3,34% foi o menor valor encontrado.

Nas amostras do tipo cascas e caroos, a espcie Tucum apresentou os maiores teores

de carbono e hidrognio e menor teor de oxignio com 51,35%, 6,50% e 36,86%

respectivamente. Na espcie dend foi encontrado o maior teor de nitrognio 6,00%. No Aa

foram encontrados os menores teores de carbono 46,17%, nitrognio 4,33% e o maior teor de

oxignio 43,73%. A castanha-do-par apresentou o menor teor de hidrognio 5,23%.

Com relao aos resultados das espcies de bambu o Dendrocalamus Giganteus

apresentou os maiores teores de carbono 47,82% e hidrognio 6,15% bem como o menor teor

de oxignio 41,49%. Na espcie Guadua Sacocarpa foram encontrados os menores teores de

carbono 44,95% e hidrognio com 5,90% e o maior teor de nitrognio 3,90%. Na espcie

Vulgaris Vulgaris foi encontrado o maior teor de oxignio com 44,73% e o menor valor de

nitrognio 0,92%.

Figura 4.4 Comparativo da anlise elementar por espcie.

Os valores mdios de carbono, hidrognio, nitrognio e oxignio so respectivamente:

49,25%, 6,12%, 4,37%, e 39,55%. Em relao aos valores mdios, a variao encontrada nos

41

resultados de carbono foi de 9,00% para mais ou para menos, para o hidrognio a variao foi

de 15% para mais ou para menos, em relao ao nitrognio 37% para mais e 80% para menos;

com relao ao teor de enxofre a variao encontrada foi de 41% para mais e 75% para

menos, para o oxignio, a variao encontrada foi de 41% para mais e 99% para menos. Estes

resultados tm uma variao muito alta devido aos valores que se desviam da media das

amostras.

4.3 PCS:

O valor de PCS obtido atravs da bomba calorimtrica e o resultado do clculo do PCI

atravs da equao 3.6 so apresentados abaixo na

Tabela 4.3. Dentre todas as biomassas o maior valor de PCS encontrado foi no Tucum

com 22,22 MJ/kg, bem como o maior valor de PCI com 20,72 MJ/kg; o menor valor de PCS

encontrado foi do Bambu Vulgaris Vittata com 18,78 MJ/kg, quanto ao PCI o menor valor

encontrado entre as amostras foi de 15,16 MJ/kg na amostra de Bambu Vulgaris Vulgaris.

Esta diferena no valor entre o PCS e o PCI das espcies de bambu, deve-se ao fato delas

terem diferentes teores de umidade, e hidrognio em suas composies.

Separando os resultados das amostras por tipo, as madeiras das espcies Ip e Marup

so as que apresentam o maior e menor valor de PCS com 20,64 MJ/kg e 19,68 MJ/kg

respectivamente. Com relao aos valores de PCI, 17,36 MJ/kg foi encontrado na amostra de

Ip e 15,72 MJ/kg na amostra de Timborana.

Dentre as amostras dos tipos cascas e caroos, o maior valor de PCS foi encontrado no

caroo de Tucum com 22,22 MJ/kg, sendo tambm no Tucum encontrado o maior valor de

PCI com 20,72 MJ/kg, o caroo de Aa apresentou o menor valor de PCS com 19,26 MJ/kg,

o menor valor de PCI foi encontrado nas cascas da castanha-do-par com 17,18 MJ/kg.

Nas espcies de bambu os maiores valores de PCS e PCI encontrados foram 19,59

MJ/kg e 16,10 MJ/kg respectivamente na espcie Dendrocalamus Giganteus, o menor valor

de PCS foi determinado na espcie Vulgaris Vittata com 18,78 MJ/kg, o menor valor de PCI

foi encontrado na espcie Vulgaris Vulgaris com 15,16 MJ/kg.

42

Tabela 4.3 Resultados de PCS (kJ/kg) e PCI (kJ/kg) das amostras analisadas, em base seca. Espcie PCS (MJ/kg) PCI (MJ/kg)

MA

DE

IRA

S

MOGNO 20,29 16,51

ANDIROBA 19,78 16,53

TIMBORANA 19,96 15,72

IP 20,64 17,35

JATOB 20,35 17,05

TATAJUBA 20,14 17,13

ANGELIM VERMELHO 20,13 17,00

ANGELIM PEDRA 20,04 16,55

MARUP 19,68 16,35

LOURO 20,12 16,81

CEDRO 19,98 16,59

CA

SC

AS

E

CA

RO

O

S

AAI 19,26 17,23

CAST. DO PAR 20,51 17,18

TUCUM 22,221 20,721

DEND 21,25 18,65

CASC DE COCO 20,86 18,40

BA

MB

US

BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 18,85 15,162

BAMBUSA VULGARIS VITTATA 18,782 15,17

GUADUA SACOCARPA 18,83 15,99

DENDROCALAMUS GIGANTEUS 19,59 16,10


O valor mdio de PCS encontrado foi de 20,06 MJ/kg com a variao mxima de 11% e

o PCI obteve media de 16,62 MJ/kg com variao mxima de 22%, na Figura 4.5 pode-se

observar o comportamento entre os valores de PCS e PCI das amostras.

Figura 4.5 Grfico comparativo entre PCS e PCI das mostras .

43

4.4 Anlise Termogravimtrica

Este tipo de anlise ocorreu em dois tipos em atmosfera, inerte no Laboratrio de

Produtos Florestais em Braslia e atmosfera oxidativa no Laboratrio de Geocincias da

Universidade Federal do Par. Os resultados obtidos so apresentados na Tabela 4.4, e esto

divididos de acordo com os laboratrios onde foram feitas as anlises e por etapa de

converso para um melhor entendimento destes resultados.

Tabela 4.4 Resultados da anlise termogravimtrica das amostras analisadas na UFPA e no LPF.

GeoCiencias UFPA LPF - DF

Ea (kJ/kmol) A (s-1) Ea (kJ/kmol) A (s-1) Ea (kJ/kmol) A (s-1)

160-380C* 380-780C** 200-400C

MA

DE

IRA

S

MOGNO 2,66E+04 81,72 - - 5,08E+04 86,29

ANDIROBA 2,50E+05 86,58 3,42E+01 54,96 2,08E+03 71,02

TIMBORANA 4,03E+03 66,73 3,76E+00 43,39 1,77E+05 90,21

IP 6,32E+03 68,54 7,98E+00 47,87 1,48E+04 80,66

JATOB 1,51E+05 81,70 1,13E+12 185,41 5,28E+02 64,67

TATAJUBA 1,68E+04 72,93 2,16E+01 52,77 - -

ANG. VERM 2,27E+05 87,00 4,69E+02 74,24 - -

ANG. PEDRA 6,45E+03 68,02 6,75E+01 57,53 - -

MARUP 2,23E+05 84,91 1,42E+02 62,18 - -

LOURO 4,64E+04 77,37 3,46E+02 64,55 - -

CEDRO 1,49E+05 83,72 2,78E+02 67,58 - -

CA

SC

AS

E C

AR

O

OS

AAI 9,11E+05 85,97 5,65E+00 39,96 7,39E+05 93,32

CAST. DO PAR 2,82E+03 61,26 3,45E+01 7,34 6,64E+01 53,41

TUCUM 1,54E+06 86,05 3,78E+00 37,92 - -

DEND 2,24E+05 80,16 3,35E+01 9,07 - -

CASC DE COCO 9,11E+05 85,97 7,99E+01 52,89 1,22E+03 68,79

BA

MB

US

BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 1,11E+05 77,33 2,70E+04 84,18 - -

BAMUSA VULGARIS VITTATA 2,69E+03 60,55 4,71E+04 88,10 - -

GUADUA SACOCARPA 2,38E+03 58,57 9,13E+01 53,58

DENDROCALAMUS GIGANTEUS 6,42E+03 64,04 8,65E+04 93,87

* - Pirlise da biomassa; ** - Converso do carbono

As anlises obtidas no Laboratrio de Produtos Florestais em Braslia-DF foram

realizadas em atmosfera de nitrognio com taxas de aquecimento de 10C\min para todas as

amostras. A converso de biomassa nestas condies ocorre em duas etapas, secagem e

pirlise, como pode-se observar na Figura 4.6 abaixo.

44

A partir do inicio do experimento, h uma perda de massa entre 3% e 7% assim que a

temperatura atinge 100C at 150C que a perda de gua intrnseca da biomassa. Ento a

biomassa absorve calor at atingir a temperatura critica de pirlise, que para o aa inicia-se a

partir de 200C e para o Tauari em torno de 250C. O processo de converso piroltica termina

em torno de 400C e o que resta no cadinho so carvo e cinzas variando em massa entre 35%

para a castanha-do-par e 22% para a Maaranduba.

Figura 4.6 Demonstrativo da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas analisadas

no LPF-DF em ambiente inerte (nitrognio).

Na anlise da velocidade de converso das amostras analisadas, pode-se observar nas

curvas obtidas em atmosfera de nitrognio, que o processo de volatilizao inicia-se em torno

de 200C, e a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de temperatura de 245 a 320C

para o aa e entre 300 a 380C para o restante das amostras, conforme a Figura 4.7.

Figura 4.7 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas

analisadas no LPF-DF apresentando os picos de converso.

45

Em relao aos resultados obtidos no Laboratrio de Anlises Trmicas da Faculdade de

Geocincias da UFPA em Belm-Pa, as anlises foram realizadas em atmosfera de oxignio.

Foi escolhida uma amostra de cada espcie e realizada a anlise em trs taxas de aquecimento

diferente, 5, 10 e 40C\min para a escolha daquela que apresente a melhor relao.

A taxa de aquecimento escolhida para cada tipo de amostra foi, 5C\min para os bambus

bem como para as cascas e sementes e 10C\min para as madeiras. Estas escolhas foram feitas

com base nos resultados grficos que apresentaram melhores informaes de converso de

uma amostra de cada tipo. Abaixo as Figura 4.8, Figura 4.9 e Figura 4.10 apresentam esta

comparao.

Figura 4.8 TGA e DTG do Dendrocalamus Giganteus 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da

Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo.

46

Figura 4.9 TGA e DTG do Aa 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da Faculdade de

Geocincias, em ambiente oxidativo.

Figura 4.10 TGA e DTG da espcie Muiracatiara 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da

Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo.

A perda de massa das amostras ocorreu em trs etapas, secagem, pirlise e converso do

carvo, como se pode observar na Figura 4.11 abaixo. No inicio do experimento, h uma

perda de massa de 3% e 5%, at o momento que a temperatura atinge 100C. Esta diferena

d-se pela perda de gua intrnseca da biomassa. Ento a biomassa absorve calor at atingir a

temperatura critica de pirlise a partir de 210C at 380C. Esta segunda etapa refere-se a

converso dos volteis existentes na biomassa. A terceira etapa do processo de converso

47

refere-se a converso do carvo iniciando em 320C e terminando em 760C sendo consumida

toda a amostra restando no cadinho apenas cinzas.

Figura 4.11 Curva de perda de massa obtida na anlise termogravimtrica no Lab. de anlise trmica da

Faculdade de Geocincias.

Devido quantidade de amostras, os grficos que apresentam a relao da velocidade de

converso com o incremento da temperatura foram divididos por espcie. Os resultados

grficos foram obtidos atravs da primeira derivada da perda de massa das amostras

analisadas. Pode-se observar que para todas as espcies, as curvas obtidas apresentam dois

picos de maior intensidade, onde o primeiro pico representa o processo de volatilizao e o

segundo pico representa a converso do carbono, restando cinzas ao final do processo.

Para as espcies de bambu analisadas, o processo de volatilizao inicia-se em torno de

200C, e a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de temperatura de 290 a 310C. O

processo de converso do carbono tem incio a partir de 370C e com mxima taxa de

converso do carbono entre 440 e 470C, Figura 4.12.

48

Figura 4.12 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das amostras de

bambus analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.

Para as espcies de madeiras analisadas, a primeira etapa de volatilizao fica situada na

faixa de temperatura entre 200 e 390C, a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de

temperatura de 300 a 350C. O processo de converso do carvo situa-se entre 400 e 700C

com mxima taxa de converso do carbono entre 500 e 550C, Figura 4.13. O destaque entre

as espcies de madeira o Jatob que apresenta um grande pico com mxima taxa de

converso em torno de 460C.

Para as espcies de cascas e sementes analisadas, o processo de volatilizao inicia-se

em torno de 200C e termina entorno de 340C. A faixa de temperatura onde ocorre a mxima

taxa de converso est situada entre 260 e 300C. O processo de converso do carbono tem

inicio a partir de 380C com final em 600C, com mxima taxa de converso do carbono entre

480 e 500C, Figura 4.14.

49


madeiras analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.


sementes analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.

50

CAPITULO 5: CALCULO DO PCS EM FUNO DOS RESULTADOS

Neste captulo ser apresentada uma metodologia para obteno do valor de PCS em

funo dos resultados das anlises imediata e elementar.

Aps a biomassa ser caracterizada em termos de composio molecular, o clculo para a

determinao do PCS pode ser realizado de duas maneiras: a primeira atravs do balano

energtico da reao de combusto e a segunda forma atravs da regresso linear dos dados.

5.1 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar e o conceito de calor de reao.

Fazendo o balano de tomos de uma biomassa hipottica para a reao de combusto

estequiomtrica.

+ 2 + 3,762 2 +

220 + 3,76 2 +

O calor de reao definido como a energia liberada numa reao de combusto

quando reagentes e produtos esto na mesma temperatura. Quando a Primeira Lei da

Termodinmica aplicada sob a forma de equao de fluxo constante de energia, o calor de

reao igual a diferena entre as entalpias dos produtos e reagentes ,

(MAHALLAWY, F. E.; HABIK, S. E.; 2002.), equao 5.1.

(5.1)

Onde a entalpia dos produtos, e a entalpia dos reagentes.

Sendo:

= , e

= .

51

Onde so o nmero de mols dos produtos e dos reagentes respectivamente. Da

mesma forma e so a entalpia especifica molar dos produtos e dos reagentes

respectivamente. A entalpia especifica molar dada pela soma entre a entalpia de formao e

a entalpia sensvel, onde:

= , + ,, e

= , + ,

Sendo a temperatura dos produtos e dos reagentes iguais, a entalpia sensvel de ambos

zero. Ento, substituindo os termos de entalpia acima citados na equao 5.1, obtm-se a

equao 5.2 em base molar:

= , ,

(5.2)

Explicitando a equao (5.2 em termos de suas fraes molares, obtm-se a equao

5.3.

= . ,2 +

2 ,2

+ , 1. ,

(5.3)

A anlise elementar fornece os resultados em termos de percentagem de frao mssica.

Ento possvel relacionar a quantidade de tomos dos produtos com o resultado da anlise

elementar pelas seguintes correlaes:

= (5.4)

= (5.5)

= (5.6)

O PCS tambm pode ser calculado dividindo o calor de reao com valor negativo pela

massa do combustvel, equao 5.7.

= (5.7)

Substituindo as equaes 5.3 e 5.6 na equao 5.7 e rearranjando, obtm-se:

= ,

,2

. +

,2

2. +

,

. .

1

(5.8)

52

Admitindo-se que a massa do combustvel 1kg e que os termos , ,

, 2

, ,2

2 e

,

so constantes e sero substitudos por A, B, C e D respectivamente, desta forma obtm-

se a equao 5.9:

= + + (5.9)

Com o rearrananjo a equao 5.9 possvel que se obtenha o valor de A para cada

espcie.

= + + + (5.10)

Os valores da entalpia de formao dos produtos so tabelados, bem como a massa

molar dos elementos, Tabela 5.1. O termo para cada espcie constante e com valor

conhecido.

Tabela 5.1 valores de entalpia de formao e massa molar dos elementos, 298K.

Termo Valor Unidade

,2 -393546

kJ/kmol ,2 -241845

, 90297

12 kg/kmol 1

14 Fonte: Turns (2000).

Onde:

= , 2

= -32795,5 kJ/kg = -32,80 MJ/kg

= ,2

2 = -120923 kJ/kg = -120,92 MJ/kg

= ,

= 6449,8 kJ/kg = 6,45 MJ/kg

Na equao 5.10, o PCS obtido da bomba calorimtrica, , e da anlise

elementar. A constante A a entalpia de formao definida de cada combustvel, para ser

utilizada no equacionamento, precisa ser definida um valor para todas as espcies. Isto feito

calculando o valor mdio de A para as espcies estudadas.

Substituindo o valor mdio de A e os valores de B, C e D determinados acima por serem

constantes, na equao 5.9 obtm-se a equao 5.11 a seguir.

53

= 3,07 32,80 120,92 + 6,45 (5.11)

Na seqncia, a Tabela 5.2 apresenta os dados que relacionam os valores de PCS

medidos com os valores calculados para a equao 5.11. O erro mdio absoluto foi de 2,51%

e o desvio padro de +/- 0,625 MJ/kg. A Figura 5.1, na seqncia, apresenta a disperso entre

os valores de PCS medidos e calculados. A linha pontilhada representa o limite de +/- 5%.

54

Tabela 5.2 Valores calculados para determinao de A da equao 5.11 e do PCS considerando os teores de C e H.

ESPCIES PCS

(MJ/kg) C H N A (C, H, N)

PCS

CALCULADO1

ERRO

ABSOLUTO

AAI 19,26 0,46 0,06 0,04 -2,85 19,05 1,10

CAST. DO PAR 20,51 0,50 0,05 0,05 -1,86 19,30 5,89

TUCUM 22,22 0,51 0,07 0,05 -2,14 21,29 4,17

DEND 21,25 0,50 0,06 0,06 -1,81 20,00 5,88

CASC DE COCO 20,86 0,51 0,06 0,05 -2,51 20,30 2,67

MOGNO 20,29 0,50 0,06 0,04 -3,33 20,56 1,31

ANDIROBA 19,78 0,49 0,06 0,05 -3,32 20,03 1,29

TIMBORANA 19,96 0,50 0,06 0,05 -3,54 20,43 2,38

IP 20,64 0,52 0,06 0,05 -3,48 21,05 1,99

JATOB 20,35 0,50 0,06 0,05 -2,74 20,03 1,58

TATAJUBA 20,14 0,50 0,06 0,03 -3,20 20,27 0,65

ANG. VERM 20,13 0,48 0,06 0,04 -2,99 20,05 0,38

ANG. PEDRA 20,04 0,49 0,06 0,04 -3,38 20,36 1,58

MARUP 19,68 0,49 0,06 0,04 -3,55 20,17 2,47

LOURO 20,12 0,48 0,06 0,04 -2,89 19,94 0,88

CEDRO 19,98 0,50 0,06 0,04 -3,86 20,77 3,96

B. VULGARIS VULGARIS 18,85 0,48 0,06 0,01 -3,92 19,71 4,54

B. VULGARIS VITTATA 18,78 0,47 0,06 0,04 -3,97 19,69 4,82

GUADUA SACOCARPA 18,83 0,45 0,06 0,04 -2,79 18,55 1,49

DENDROCALAMUS

GIGANTEUS 19,59 0,48 0,06 0,04 -3,28 19,81 1,12

MDIAS 20,06 0,49 0,06 0,04 -3,07 20,07 2,51

1 O valor de PCS foi calculado com o valor mdio de A. 2 Desvio Padro = +/- 0,625 MJ/kg

Figura 5.1 Disperso dos resultados da equaes 5.11.

55

5.2 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar por regresso.

O valor de PCS pode ser calculado com base nos resultados da anlise elementar

utilizando regresso linear. Neste trabalho foi aplicada a ferramenta de anlise de regresso

linear do software MS-Excel 2007 que utiliza o mtodo dos mnimos quadrados para ajustar

uma linha em um conjunto de observaes.

Com base nos resultados apresentados na Tabela 4.2 foram retirados os dados que foram

utilizados para o equacionamento atravs da regresso linear, estes dados so apresentados na

Tabela 5.3 abaixo.

Tabela 5.3 valores de PCS, C e H determinados no LacBio e os valores de PCS calculados atravs da regresso linear.

PCS

(MJ/kg) C H

PCS

(MJ/kg)1

ERRO

ABSOLUTO

AAI 19,26 0,46 0,06 18,90 1,87

CAST. DO PAR 20,51 0,50 0,05 20,26 1,20

TUCUM 22,22 0,51 0,07 20,91 5,88

DEND 21,25 0,50 0,06 20,18 5,03

CASC DE COCO 20,86 0,51 0,06 20,79 0,31

MOGNO 20,29 0,50 0,06 20,39 0,47

ANDIROBA 19,78 0,49 0,06 19,96 0,93

TIMBORANA 19,96 0,50 0,06 20,20 1,22

IP 20,64 0,52 0,06 21,21 2,76

JATOB 20,35 0,50 0,06 20,40 0,24

TATAJUBA 20,14 0,50 0,06 20,17 0,14

ANG. VERM 20,13 0,48 0,06 19,78 1,72

ANG. PEDRA 20,04 0,49 0,06 20,05 0,03

MARUP 19,68 0,49 0,06 19,82 0,69

LOURO 20,12 0,48 0,06 19,77 1,72

CEDRO 19,98 0,50 0,06 20,42 2,20

B. VULGARIS VULGARIS 18,85 0,48 0,06 19,44 3,11

B. VULGARIS VITTATA 18,78 0,47 0,06 19,41 3,33

GUADUA SACOCARPA 18,83 0,45 0,06 18,43 2,12

DENDROCALAMUS

GIGANTEUS 19,59 0,48 0,06 19,54 0,26

MDIAS 20,06 0,49 0,06 20,00 1,76

1 O valor de PCS calculado atravs da regresso com os valores de C e H (eq. 5.12).

2 Desvio Padro = +/- 0,64 MJ/kg

56

Com base nos resultados foi encontrada uma equao, onde o erro mdio absoluto foi de

1,76% e o desvio padro de +/- 0,64 MJ/kg.

= 0,82 + 0,38 + 0,09 (5.12)

A Figura 5.2 abaixo, apresenta a disperso dos resultados comparativos entre os valores

de PCS medidos versus PCS calculados apresentados com base na Tabela 5.3 juntamente com

suas respectivas linhas de tendncias. A linha pontilhada representa o limite de +/- 5%.

Figura 5.2 Disperso dos resultados e regresso da equao5.12.

57

CAPITULO 6: DISCUSSO DOS RESULTADOS.

Com relao aos resultados apresentados no capitulo anterior, as seguintes observaes

podem ser feitas:

1. Os valores de PCS das amostras de resduo vegetal situaram-se na faixa de 18,78

22,00 MJ/kg obtendo mdia de 20,06 MJ/kg. O valor mdio de PCS encontrado est acima do

valor mximo encontrado na referencia para as espcies Dendrocalamus Giganteus e

Softwood (AV.), que foram 19,27 MJ/kg e 20,00MJ/kg, respectivamente.

2. Os valores de PCI das amostras situaram-se entre 14,80 16,74 MJ/kg obtendo mdia

de 16,62 MJ/kg, apresentados anteriormente na

3. Tabela 4.3. O valor mdio de PCI encontra-se prximo do valor Maximo encontrado, o

que indica a viabilidade destas biomassas como alternativa energtica;

4. Em relao ao teor de carbono fixo a espcies Timborana com 49,65%, obteve o maior

resultado encontrado, acima da Softwood que apresentou 28,10%. Indicando que o resduo de

Timborana poder ter melhor aproveitamento na produo de carvo vegetal.

5. Quanto aos volteis o Ip com 91,34% apresentou o maior teor, acima da Hardwood

com 72,30%. Indicando que o resduo de Ip poder ser melhor aproveitado na queima direta.

6. Apesar dos teores elevados de umidade e cinzas apresentados na castanha-do-par com

14,48% e 19,77% respectivamente esta biomassa apresenta um alto valor energtico em

relao as outra apresentadas (PCS = 20,51MJ/kg). O resduo de madeira com 10,40% de

umidade e 4,25% de cinzas est abaixo dos valores encontrados neste trabalho. Os resultados

encontrados para a castanha do Par podem ser devido ao processo de obteno e transporte

das castanhas at o processamento.

7. Nas molculas de biomassa, o maior valor de carbono foi encontrado na espcie Ip

com 52,23%, bem prximo do encontrado na Softwood 52,10%.

8. Para o hidrognio o maior valor foi 6,50% no Tucum, muito semelhante Hardwood

com 6,20%.

9. Na espcie Dend foi encontrado o maior teor de nitrognio, 6,00%, bem acima da

Hardwood com 0,40%.

58

10. O mximo teor de enxofre foi encontrado na espcie Dend, 0,96%, este valor encontra-

se prximo do limite de deteco do aparelho. Nos trabalhos de referencia no foi

determinado resultado de enxofre nas amostras.

11. Com 44,73% o bambu Vulgaris Vulgaris obteve o maior valor de oxignio, na espcie

Hardwood foi encontrado 41,10% de oxignio.

12. As equaes empricas baseadas na primeira lei da termodinmica apresentaram

resultados coerentes, com erro mdio absoluto foi de 2,51% e o desvio padro de +/- 0,625,

para a equao que considera os teores de carbono, hidrognio e nitrognio.

13. A equao que relaciona os resultados de PCS com os resultados de carbono e

hidrognio da anlise elementar atravs da regresso linear apresenta uma correlao com

fator de explicao de 63,63%.

14. Os resultados obtidos por anlise termogravimtrica (TGA), tanto no Laboratrio de

Produtos Florestais em Braslia, quanto no Laboratrio de Anlises Trmicas da Faculdade de

Geocincias da UFPA, observou-se que o perfil de perda de massa do processo de pirlise das

biomassas foi dividido em duas macro etapas. A primeira, comum aos resultados de ambos os

laboratrios, est situada entre 200 e 370C e est associada decomposio da celulose e

hemicelulose respectivamente, restando somente carvo. Na segunda macro etapa, situada

entre 230 e 750C, pode-se observar nos resultados do Lab. da Faculdade de Geocincias da

UFPA, que ocorreu o consumo total das amostras devo o equipamento estar programado para

operar em atmosfera de oxignio;

15. Os valores da energia de ativao obtidos pelos dois laboratrios ficaram prximos

entre si, para a etapa de pirlise entre 53,40 e 93,42 kJ.mol-1

. Estes valores aproximaram-se

dos valores reportados na literatura sobre a pirlise de compostos celulsicos (150 - 200

kJ.mol-1

).

59

CAPITULO 7: CONCLUSES

O contedo energtico de biomassa similar para todas as espcies de plantas, situada

no intervalo 19-22 MJ/kg (base seca), o que satisfatrio se comparado com espcies de

madeira que j so usadas com fins energticos, como eucalipto e pinus. Os principais

critrios para seleo das espcies de biomassas como fonte energtica so: taxa de

crescimento, facilidade de gesto, colheita e das propriedades intrnsecas, como a umidade/

cinza/ carbono fixo, pois estas propriedades influenciam nas caractersticas operacionais da

planta de converso.

Uma das propostas deste trabalho a utilizao das equaes que relacionam o valor de

PCS com os teores de carbono, hidrognio e oxignio, por ambas possuir erro mdio absoluto

abaixo de 2,51%.

= 3,07 32,80 120,92 + 6,45

= 0,82 + 0,38 + 0,09

recomendado por este trabalho um estudo mais aprofundado para a confeco de

briquetes das amostras de bambu e das espcies do tipo cascas e sementes para queima direta

em caldeiras devido teor de carbono encontrado nas amostras. Em especial o caroo de aa e

da casca da castanha-do-par, que so resduos com grande quantitativo gerado na regio

metropolitana de Belm.

Outra proposta e a compilao destes dados para alimentar um banco de dados que

tenha alcance nacional. Este banco de dados poder ser utilizado por projetistas de

equipamentos de converso trmica, de tal forma que estes profissionais possam dimensionar

os equipamentos de acordo com as espcies agroindustriais apresentados neste trabalho.

Como sugesto de trabalhos futuros, citamos a repetio das anlises feitas neste

trabalho com um nmero maior de biomassas, buscando conhecer a relao entre as

propriedades das mesmas com relao ao valor de PCS. Bem como outros mtodos para o

equacionamento de TGA e PCS.

60

REFERNCIAS

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Documents

Composição Química da Lenha