carvão vegetal

II FÓRUM NACIONAL DE CARVÃO VEGETAL
QUALIDADE DA MADEIRA PARA
PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL
A éli d
Angélica
de Cássia
Cá i O
O. Carneiro
C
i
Viçosa- MG
1. Aspectos econômicos do setor
Fonte: Anuário, 2009 - AMS
Consumo de Carvão por Estado
1 000 mdc
1.000
Fonte: Anuário, 2009 - AMS
Consumo de Carvão p
pelos Diversos Segmentos
g
- Brasil
Fonte: AMS, 2010
1.000 mdc
Fonte: Anuário, 2009 - AMS
PREÇOS MÉDIOS
É
DO CARVÃO
à VEGETAL
T EM MINAS GERAIS
Preço
PreçoCarvão
MDC - vegetal
2008/ MG
US$//MDC
R$/MDC
200
140
120
150
100
100
80
5060
40
020
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
0
AnoJul Ago Set Out Nov Dez
Jan Fev Mar Abr Mai Jun
Fonte: AMS - 2010
27/10/2010 R$ 90,00
2. Carbonização da Madeira
‡
∆
‡
Carbonização ou Pirólise: degradação térmica em ambiente com
atmosfera controlada de oxigênio.
oxigênio
O processo pode
d ser autotérmico
t té i ou alotérmico.
l té i
3. Qualidade da madeira para produção de carvão vegetal
X
Qualidade da madeira
Foto: www.se
ementesqualitty.com.br
QUALIDADE
É
UMA
COMBINAÇÃO
DE
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS E ANATÔMICAS
DE UMA ÁRVORE OU DE SUAS PARTES QUE PERMITEM
UMA MELHOR UTILIZAÇÃO PARA DETERMINADO USO
FINAL.
QUALIDADE = ADEQUAÇÃO PARA USO FINAL
Foto: Casirag
F
ghi, 2007
Silvicultura baseada
em volume
l
Tabela 5. Valores do incremento médio anual, massa seca,
massa de
d lignina,
li i
energia
i disponível
di
í l e massa de
d carvão
ã vegetal
t l
referentes ao diferentes materiais genéticos.
Material IMA
ggenético (m
( 3/ha))
Massa seca
((ton/ha.ano))
Massa de
g
lignina
(t/ha.ano)
Energia
((kW.h)/ha.ano
)
Massa de
carvão vegetal
g
(t/ha.ano)
Massa de
carbono
(t/ha.ano)
13,1 a
10 7 c
10,7
11,1 b
1
2
49,1 a
43,9 bc
26,9 a
22,3 c
8,1 a
6,7 c
143.678,9 a
111.388,4 c
8,1 a
6,4 bc
3
4
47,0 b
40,0 c
23,4 b
21,9 c
7,5 b
7,0 c
121.310,8 b
112.726,4 c
6,7 b
6,2 c
Fonte: Santos e Carneiro, 2010
10 3 d
10,3
O rendimento e as propriedades do carvão vegetal dependem da
qualidade da madeira que lhe deu origem, do equipamento e das
condições operacionais da carbonização.
Fatores inerentes a madeira
Densidade básica Æ Alta
Composição química Æ Lignina
Espessura parede Æ Alta
Umidade Æ Baixa
Cinzas Æ Baixa
Fatores inerentes ao processo
Temperatura de carbonização
Taxa
de aquecimento
T
d
i
t
Pressão
Dimensões da madeira
Fluxo gasoso
Aspectos práticos:
- Ser denso;
- Quebrar sem soltar moinha;
-Q
Queimar sem desprender
p
fumaça;
ç ;
- Isento de tiços, pedras, terra e outras
impurezas;
- Granulometria média e uniforme (4-5 cm).
ESCOLHA DA ESPÉCIE
Alto teor de lignina
Alta densidade
Alta produtividade
R i tê i a pragas e doenças
Resistência
d
Resistência a condições adversas
Principais materiais genéticos comerciais utilizados
E. grandis
E. urophylla
E. cloesiana
E. camaldulensis
E saligna
E.
li
E.
E urograndis;
di
E. urocam;
outros...
Tabela 6.
6 Teor de lignina,
lignina Densidade básica e Poder calorífico de
diferentes espécies de Eucalyptus.
DENSIDADE DA MADEIRA
Fatores que afetam a densidade
• Idade
• Clima
• Localização geográfica
• Práticas silviculturais (espaçamento, idade,
adubação, etc)
ç no tronco,
• Outros ((extrativos, posição
taxa de crescimento)
A densidade da madeira afeta a capacidade
d produção
de
d ã das
d plantas
l t de
d carbonização
b i
ã
¾ Maior energia armazenada por unidade de volume
¾ Reduz os custos de colheita e transporte, em função do menor volume
¾ Aumento na capacidade de produção dos fornos
¾ Redução de mão-de-obra
Densidade Madeira x Densidade Carvão
,
0,60
0,50
g/ccm³
0,40
0 30
0,30
0,20
0,10
0 00
0,00
3
5
Idade
Fonte: Carneiro & Pereira, 2008
7
Fonte: Alencar, et al, 2002
IMPORTÂNCIA DA DENSIDADE DO CARVÃO VEGETAL
Estudo de caso 1
Dados
Carvão vegetal
g
1
Carvão vegetal
g
2
Carbono fixo (%)
75
75
Densidade a granel (kg/m3)
210
230
Preço
ç R$/MDC
100
100
Consumo de Carbono fixo por tonelada de gusa - 430 kg
DADOS
Consumo de CV por tonelada de gusa
Carvão vegetal 1
Carvão vegetal 2
2,73 MDC/t gusa
2,49 MDC/ t gusa
273
249
Custo com CV por tonelada de gusa (R$)
Ex.: Empresa com produção mensal de 20.000 t
gusa usando o CARVÃO VEGETAL 2
LUCRO MENSAL = R$ 480.000,00
QUALIDADE + R$ 24 /t gusa
Características do carvão produzido com madeira densa
¾ Carvão mais denso
¾ Maior
M i massa de
d Carbono
C b
fixo
fi e energia
i por volume
l
¾ Carvão menos friável e quebradiço Æ mais resistente
¾ Reduz custos de transporte Æ mais massa por unidade volume
gravimétrico Æ redução
ç de finos
¾ Maior rendimento g
¾ Maior produtividade dos fornos Æ Maior aproveitamento do
volume dos fornos
¾ Aumenta o tempo de carbonização
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA
MADEIRA:
Diversos componentes químicos
Polímeros difícies de serem isolados sem alterações significativas
Constituídos de polímeros de alto peso molecular
Diferentes temperaturas de degradação
COMPONENTE
CONÍFERA (%)
FOLHOSA (%)
40-45
40-45
Glucomananas
20
5
xilanas
10
25-30
LIGNINAS
25-30
20-25
EXTRATIVOS
3-10
3-10
CINZAS
<1
<1
CELULOSE
HEMICELULOSE
Fra
ação Má
ássica ((kg/kg)
10
1.0
Lignina
0.8
0.6
0.4
Eucalipto
Celulose
02
0.2
Hemicelulose
0.0
200
300
400
500
600
Temperatura (oC)
Comparação entre TG dinâmica da carbonização dos componentes do eucalipto
Fonte: Raad, 2004
E. maculata, E. pellita, E. tereticornis, E. urophylla, E. cloeziana e Híbrido (E.
urophylla x E. grandis) – Idade 7 anos
38.50
y = 0.508x + 23.093
R2 = 0.9279
0 9279
38.00
Lignina
37.00
36.50
36.00
35.50
35.00
Rendimento
em carvão e
carbono fixo
34.50
22
23
24
25
26
27
28
29
30
LIG (%)
29.50
y=0
0.3698x
3698 + 18
18.048
048
2
R = 0.9164
29.00
28.50
RCF
F (%)
RGC (%)
37.50
28.00
27.50
27.00
26.50
26.00
22
23
24
25
26
27
28
29
30
LIG (%)
Fonte: Trugilho, 2008
Estrutura proposta para lignina
presente em madeira das angiospermas.
p
g p
FONTE PILÓ-VELOSO et. al. (1993).
Fonte: Gomide, et al, 2005
Relação Siringil/guaiacil
4
Relação siringil/guaiacil da
madeira nos diferentes clones
de eucalipto
p ppara energia.
g
a
b
3
ab
c
2
1
0
7
Relação S/G Rendimento
8
9
10
Material genético
Fonte: Santos e Carneiro, 2010
Tabela 7. Perda de massa (%) dos diferentes materiais genéticos em função
das faixas de temperaturas.
temperaturas
Perda de massa ((%))
Material
genético
25o-100oC
100o-200oC
200o-300 oC
300o-400 oC
400o-500 oC
Massa
residual
1
6
0
16
53
14
11
2
8
0
16
53
14
9
3
7
0
19
54
16
4
4
8
1
17
52
16
6
50
100
90
TG
40
DTA
80
70
60
20
50
40
10
TG (%)
DTA (uV
V)
30
30
0
20
26
61
117
170
222
275
327
382
429
479
-10
10
10
0
-20
-10
Temperatura (°C)
Termograma e DTA da madeira para o material genético 2.
Fonte: Santos e Carneiro, 2010
Rendimento Gravimétrico
100 00
100,00
Eucalyptus benthamii
-
80,00
60 00
60,00
3 idades diferentes
%
Guarapuava-PR
40,00
sementes
Geadas severas
20 00
20,00
IMA > 40m3
a
a
b
a
GNC
a
a
GC
a
b
b
CV
a
0,00
3 anos
5 anos
Densidade Madeira x Densidade Carvão
Carbono Fixo x Teor de Lignina
100
0,60
90
0,50
80
70
0,40
60
%
g//cm³
7 anos
0,30
,
50
40
0,20
30
20
0,10
10
0,00
0
3
5
Idade
7
3
5
7
C arbo no Fixo
Idade
Fonte: Carneiro & Pereira, 2008
Teo r de Lignina
Composição elementar
TABELA 5. Composição elementar da madeira dos diferentes materiais
genéticos de clones de eucalipto.
g
p
Composição elementar da madeira (%)
Material genético
C
N
H
S
O
1
48 8 a
48,8
0 20 a
0,20
6 68 a
6,68
0 12 a
0,12
44 21 b
44,21
2
48,04 ab
0,17 ab
6,44 a
0,09 a
45,27 ab
3
47,53 b
0,15 b
6,32 a
0,08 a
45,93 a
4
47,23 b
0,16 ab
6,51 a
0,08 a
46,02 a
Rendimento gravimétrico em carbono fixo
35
30
a
b
b
b
1
2
3
4
(%)
25
20
15
10
5
0
Material genético
Fonte: Santos e Carneiro, 2010
Teor de umidade da madeira
Tabela 8 - Influencia da umidade no poder calorífico da madeira
Umidade (%)
Energia
disponível PCU
(Kcal/Kg)
Energia para
secar (Kcal)
PUI (kcal/Kg)
(aproximado)
0
4904,3
-
4904,3
20
3827,7
117,2
3710,5
50
2392 3
2392,3
291 8
291,8
2100 5
2100,5
80
956,93
466,50
490,43
Umidade da lenha < 30%
Tempo de secagem: > 90 dias
Dimensão, espécie, época do ano e outros
Características do carvão produzido com madeira úmida
¾ carvão friável e quebradiço
¾ elevação do teor de fino durante o manuseio e transporte
¾ fendilhamento no carvão, devido aumento da pressão de vapor por
ocasião da transformação da madeira em carvão vegetal
¾ menor rendimento gravimétrico; reduz tempo de carbonização e número
de fornos
INFLUÊNCIA DA DIMENSÃO DA PEÇA
Ç
Por razões de qualidade do
carvão
ã produzido,
d id o diâ
diâmetro
t
ideal para carbonização
está entre 10 e 20 cm.
Diâmetros > 20 cm - carvão muito quebradiço, dificultar o manuseio da peça.
Diâmetros < 10 cm - dificultam o arranjo das peças dentro do forno, aumenta o
tempo
p de enchimento, aumento do custo da mão-de-obra.
Ganho > 15% de massa enfornada Æ 2,0% de economia no custo do carvão.
Comprimento:
C
i
t
Função do tamanho do forno
Não afeta significativamente o tempo de carbonização
OUTRAS PROPRIEDADES DA MADEIRA
RELAÇÃO CERNE/ALBURNO
PARÂMETROS ANATÔMICOS
CRISTALINIDADE DA CELULOSE
SECAGEM DA MADEIRA
RENDIMENTO GRAVIMÉTRICO
CARBONO FIXO
FRIABILIDADE
Ganhos com a melhoria da qualidade da madeira
Redução na áreas plantadas
Redução no consumo de madeira
Efi iê i de
Eficiência
d conversão
ã energética
éti
Redução de emissões nos processos
de conversão
R d ã nos custos
Redução
t
Melhorias na qualidade do carvão
Agradecimentos:
UFV
DEF
SIF
PÓLO DE EXCELENCIA EM FLORESTA
FAPEMIG
SECTES
EMBRAPA
OBRIGADA!
cassiacarneiro@ufv br
[email protected]
Madeira necessária p
para suprir
p a indústria de
Ferro Gusa
Produção de Gusa a carvão vegetal = 12 milhões de toneladas / ano
Carvão Vegetal Necessário = 8,5 milhões de toneladas / ano
Madeira por ton de carvão = 3,6 toneladas = 6 metros cúbicos
Total de Madeira Necessária = 50 milhões de metros cúbicos / ano
Total de Área de Corte Necessária = 200 mil de hectares / ano
Total de Floresta Plantada disponível = 20 milhões de metros cúbicos / ano
Déficit de Madeira = 30 milhões de metros cúbicos / ano
Total de Área disponível = 80 mil de hectares / ano
Déficit de Floresta Plantada = 120 mil hectares / ano
Se melhorar o processo e qualidade da madeira pode
pode-se
se
reduzir esse déficit para 68 mil hectares / ano
Fonte: Raad, 2010
Modelo de Carbonização de Holmes
Determinação da velocidade de
formação da camada de carvão,
desenvolvendo um modelo
semelhante ao de Kanury
ø= 3”
ø
450
300
250 150oC
Propagação da frente de carbonização