avaliação preliminar do aproveitamento da casca de coco verde

AVALIAÇÃO PRELIMINAR DO APROVEITAMENTO DA CASCA DE COCO VERDE
PARA CO-GERAÇÃO DE ENERGIA: UM ESTUDO DE CASO
1
Maisa Tonon Bitti, 1 Hugo Perazzini, 2 Rodolfo Jesús Rodriguez Silvério
1
Bolsista de iniciação Científica BITEC/FAPES/IEL-ES, discente do curso de Engenharia Química da
Faculdade de Aracruz – FAACZ
Professor do Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Aracruz – FAACZ
2
1,2
Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Aracruz. Rua Professor Berilo Basílio dos Santos, 180,
Centro, Aracruz - ES, CEP 29194-910
e-mail: [email protected]
RESUMO – Neste trabalho, avalia-se a possibilidade do aproveitamento da casca de coco verde proveniente do processo de uma empresa localizada no Município de Aracruz – ES, como
matéria-prima para a produção de energia por meio da gaseificação. Inicialmente, caracterizaram-se os resíduos a serem submetidos ao processo de gaseificação. Posteriormente, realizaram-se testes experimentais, nos quais as cascas de coco verde foram cortadas em pedaços e
pesadas, sendo secadas logo em seguida numa estufa com circulação forçada de ar a 65ºC em
um período de oito dias. Por meio deste estudo, verificou-se que a casca de coco verde apresenta uma umidade elevada para ser aplicada diretamente ao processo de gaseificação, portanto, fez-se necessária a introdução de uma etapa de secagem das cascas de coco, antes das
mesmas serem enviadas ao gaseificador. Por um balanço energético no sistema proposto, definiu-se uma produção de aproximadamente 19,31kW/mês de gás e um custo de manutenção
dos equipamentos de aproximadamente R$ 3840,00 por ano. Resultados preliminares mostram
que a produção de gás para a co-geração de energia na empresa é insatisfatória, visto que a
quantidade de resíduo gerada pela mesma não é suficiente para tal fim.
Palavras-Chave: biomassa, coco verde, gaseificação
INTRODUÇÃO
O coco verde é uma fruta tropical cujo
mercado vem crescendo gradativamente no
Brasil, visto a crescente busca por alimentos
naturais que possam trazer benefícios à saúde,
dando sustentação à cultura da fruta em estados
pouco tradicionais, como o estado do Espírito
Santo (Maciel, 2008). Segundo dados da
Secretaria de Estado da Agricultura do Espírito
Santo, SEAG-ES (2008), entre os últimos anos, a
produção de coco verde praticamente dobrou no
estado, tendo no ano de 2008 uma produção de
aproximadamente 165 mil frutos e ocupando
quase 12 mil hectares de área plantada, tendo o
coco como a segunda fruta que mais gera renda
no agronegócio da fruticultura capixaba. Em
âmbito nacional, o Brasil produz cerca de 500
milhões de litros de água de coco por ano
(Ripardo, 2000).
Estes resíduos, depois de gerados,
necessitam de destino adequado, pois, além de
causar problemas ambientais, representam
perdas de matéria-prima e de energia, exigindo
assim investimentos significativos em tratamentos
para o seu aproveitamento.
Atualmente, a casca de coco é utilizada na
obtenção de inúmeros produtos. De acordo com
Andrade (2005), os resíduos da casca de coco
verde podem ser aproveitados na transformação
da casca em fibra e pó, podendo serem fabricados a partir dos derivados desse último, produtos
semelhantes a pó de xaxim, vermiculita, turfa e
casca de arroz carbonizada, e, em relação à fibra,
esta pode ser utilizada na confecção de vasos de
plantas, placas e estofamentos.
Contudo, segundo Rodrigues (2008) uma
das alternativas promissoras para o aproveitamento dos resíduos sólidos é o seu tratamento
térmico (biomassa). De acordo com Gómez
(1996) são quatro razões fundamentais que torna
a utilização da biomassa para fins energéticos
atrativas: (1) Riqueza natural própria e renovável
com satisfatória disponibilidade; (2) Representa
uma fonte renovável e segura de energia; (3) O
seu uso permite aos países em desenvolvimento
diminuir sua dependência externa de petróleo; (4)
Do ponto de vista energético, é um combustível
substancialmente limpo quando comparado com
os combustíveis fósseis. Neste sentido, a biomassa representa um potencial único por causar
um impacto ambiental positivo.
Em todo o mundo, a produção de energia a
partir da biomassa tem sido defendida como uma
importante opção devido à questão ambiental,
com a necessidade principalmente de minimização das emissões globais de CO2. Devido a isso,
diversos processos termoquímicos da biomassa
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
foram desenvolvidos, tais como a gaseificação, a
liquefação, a pirólise e a combustão, cada qual
aplicada a determinados tipos de biomassa. Conforme Pannirselvam et al.(2005), a gaseificação
se torna adequada como fonte de produção de
energia renovável tendo a casca de coco como
matéria-prima.
A gaseificação é um processo bastante antigo, onde a biomassa sólida é convertida em um
gás combustível, por meio da oxidação parcial a
temperaturas elevadas. É um processo que depende dos níveis de umidade, reatividade e demais características do combustível sólido processado. O gás produzido é mais versátil do que
a biomassa sólida, podendo ter várias aplicações
na geração de calor e potência (Rosal, 2008).
A gaseificação tem como principais vantagens: fazer o uso completo da fonte energética,
promovendo o saneamento local e, além disso,
apresenta custo competitivo em relação a outras
alternativas energéticas.
Diante dos fatos apresentados, o presente
trabalho visa o desenvolvimento de uma rota alternativa para a utilização dos resíduos do coco
verde para co-geração de energia mediante o
processo de gaseificação, objetivando maximizar
o aproveitamento e o rendimento energético.
MATERIAIS E MÉTODOS
Material Utilizado
O material colocado em estudo neste trabalho
é o resíduo proveniente do processo de extração
e envase da água de coco verde (Figura 1) que,
na realidade, é o fruto verde sem a água. Este
resíduo, em si, é constituído da epiderme, do mesocarpo fibroso, do endocarpo e do albumem,
conforme pode ser visualizado pela Figura 2.
Figura 1 – Resíduo do Processamento do
Coco Verde
Os constituintes da casca de coco verde serão descritos a seguir conforme Callado e de Paula (1999).
•
•
•
•
Epiderme: Superfície externa lisa e cérea, tendo sua cor, variando de acordo
com a maturidade do fruto;
Mesocarpo fibroso: Parte intermediária
de aparência “palha” e coloração castanha;
Endocarpo: Possui cor escura, espessura de aproximadamente 5mm e bastante
rígido;
Albumem: Possui uma coloração branca,
espessura de 1 a 2cm e uma fina película
conhecida como tegumento seminal.
Figura 2 – Constituintes da Casca de Coco
Verde
Fonte: Adaptado de Fremond et al., 1969
Determinação da Umidade e Caracterização do
Resíduo
A determinação da umidade da casca do
coco verde é de fundamental importância para a
corrente afluente do gaseificador, pois segundo
Piffer (2008) a casca deve possuir no máximo 10
a 25% de umidade para que o processo de gaseificação seja satisfatório.
Para a avaliação do processo de cogeração de energia por meio da casca de coco
verde, foram coletadas amostras na empresa. As
amostras foram cortadas em pequenos pedaços e
pesadas. Após a pesagem, foram secadas em
estufa com circulação forçada de ar a 65ºC durante um período de 8 dias até que secassem por
completo. Após a secagem, as amostras foram
novamente pesadas, para a determinação da
densidade e a umidade do rejeito. Para uma maior exatidão nos cálculos, foram feitas réplicas dos
experimentos. A Figura 3 exemplifica como se dá
o processo de secagem de alguns cortes de casca de coco verde em estufa. Na Tabela 1 são apresentados os dados experimentais obtidos. Os
volumes V0 e V f foram determinados utilizandose amostras aleatórias de casca previamente trituradas e compactadas em um vaso específico de
volume graduado e, em seguida, pesadas.
Por meio do balanço energético, foi
possível a determinação da produção de gás e,
consequentemente, a verificação da viabilidade
do estudo proposto às necessidades da empresa.
Este balanço foi realizado sobre o processo
apresentado na Figura 4.
Figura 3 – Secagem da Casca de Coco Verde
em Estufa
Tabela 1 – Dados Coletados em Laboratório
Dados
Exp. 1
Exp. 2
Exp. 3
4,00
3,95
3,50
V
0
Vf
1,80
2,50
2,00
Pu
1836,10
1645,90
1681,40
Ps
286,31
259,10
251,39
A partir dos dados obtidos experimentalmente, foram determinadas a umidade inicial do
material em base úmida e a sua umidade aparente pelas Equações 1 e 2, respectivamente. Por
meio das Equações 3 e 4 é possível determinar a
densidade aparente do material úmido e sua densidade aparente após a etapa de secagem.
Ui =
Pu − Ps
Pu
(1)
UA =
Ps
Pu
(2)
ρ Au =
Pu
V0
(3)
ρA =
Ps
Vf
(4)
S
Esse tipo de caracterização do resíduo é
imprescindível para a sua adequação ao processo
de gaseificação. A medida de suas propriedades
termofísicas se torna necessária para que se
possa avaliar a necessidade da implantação de
uma etapa de secagem que antecede a etapa de
gaseificação (levantamento da umidade inicial e
aparente) e para um futuro cálculo do volume do
gaseificador (densidade aparente do material
úmido e do material seco).
Figura 4 - Fluxograma do Processo de
Gaseificação Proposto
Fonte: Adaptado de Kinto et al., 2003
A casca de coco verde após a etapa de secagem entra no gaseificador e o gás gerado neste
processo passa por etapas de resfriamento e limpeza, onde são removidas impurezas presentes
no mesmo. O gás efluente alimenta uma turbina a
gás geradora de energia, sendo que o restante
pode ser enviado para uma caldeira cujo vapor
produzido alimenta uma turbina a vapor, ou, alternativamente pode ser recirculado para a etapa
inicial do processo.
A empresa objeto da análise produz 7
ton/mês de casca de coco. Segundo Piffer (2008),
para um processo típico de gaseificação, temos a
seguinte relação para uma biomassa generalizada:
20 kg de biomassa
55 kg de gás
Logo, para o processo da empresa em estudo,
temos:
7000 kg de casca ⋅ 55 kg de gás
20 kg de casca
O poder calorífico do gás a ser produzido é
da ordem de 5MJ/Nm3 que equivale a 5MJ/kg.
Portanto, para o consumo mensal de 7000 kg de
combustível a potência produzida passa a ser:
19250 kg
Balanço Energético
gás MJ
⋅5
mês kg
Admitindo que a eficiência da turbina a gás
utilizada no processo seja de 40%, temos uma
produção de energia de:
96250
MJ
⋅ 0,4
mês
Logo, o vapor não convertido na turbina é
enviado para a caldeira, sendo este valor equivale
a 57750MJ/mês, uma vez que corresponde a 60%
da potencia produzida. Considerando que a caldeira e a turbina a vapor juntas possuem uma
eficiência de aproximadamente 30%, logo temos
que:
38500
MJ
⋅ 0,3
mês
Com base no balanço energético realizado
anteriormente, pode-se estabelecer a quantidade
mensal de energia a ser produzida pela empresa,
utilizando o processo de gaseificação proposto.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Tabela 3 – Valores Obtidos por Meio do
Balanço Energético.
Produção de gás mensal
19250 kg de
gás/mês
Potência produzida
96250 MJ/mês
Produção de energia
(turbina à gás)
Produção de energia
(turbina à vapor)
Total de energia
produzida
38500 MJ/mês
11550 MJ/mês
50050 MJ/mês
Como pode ser visualizado na Figura 5, a
quantidade de energia obtida utilizando o processo proposto é muito menor do que a consumida
mensalmente pela empresa. Por ser uma empresa de pequeno porte, os resíduos gerados não
são suficientes para suprir seus gastos energéticos. Portanto, se torna necessária uma maior
quantidade de resíduos, podendo ser obtidos por
meio da coleta de cascas de coco verde geradas
por empresas vizinhas ou em locais de depósitos
inadequados, como praias e beira de estradas.
Com base nos valores experimentais, os
resultados obtidos a partir dos cálculos de densidade e umidade do material estudado são demonstrados na Tabela 2.
Tabela 2 – Valores Calculados a Partir dos
Dados Coletados Experimentalmente
Variável Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Média
U i (%)
84,41
84,26
85,05
84,57
U A (%)
15,59
15,74
14,95
15,43
ρ Au
ρA
459,03
416,68
480,40
452,04
159,06
103,64
125,70
129,47
S
A partir da determinação da umidade do resíduo, pode-se constatar que a casca de coco
verde apresenta uma alta umidade logo após a
extração do líquido opalescente, bem acima daquela recomendada por Piffer (2008). Isso mostra
a necessidade da implantação de uma etapa de
secagem antes da gaseificação.
Os resultados obtidos por intermédio do balanço energético são apresentados na Tabela 3.
A empresa consome, em média, o equivalente a 300 kW ao mês. Com a implantação do
processo de gaseificação proposto, a empresa
produzirá aproximadamente 19,31kW mensais.
Figura 5 - Comparação Entre a Energia Produzida Pelo Processo Proposto e a Consumida
Custos Diretos Envolvidos na Gaseificação
Na Tabela 4 estão relacionados os valores
estimados dos custos para a produção de energia
utilizando um sistema de gaseificação de 20kW,
conforme Silva e Rocha (2006).
Tabela 4 – Valores de Custos Estimados para
um Gaseificador de 20kW
Tempo de vida útil
20 anos
Investimento
R$ 160000,00
Substituição do óleo diesel
70%
Gastos de manutenção anual
R$ 3840,00
Verifica-se que a pesar da possibilidade de
substituir o óleo diesel em 70% em geradores, o
investimento na tecnologia de gaseificação proposta, para um gaseificador que produza 20kW, é
bastante alto, o que inviabiliza a implantação do
sistema na empresa, além de um gasto de manutenção anual bastante elevado. Deste modo, sur-
ge a necessidade do desenvolvimento de um sistema de menor custo operacional e de investimento reduzido.
CONCLUSÃO
Neste trabalho, foi realizado um estudo do
aproveitamento da casca de coco verde como
energético utilizando a gaseificação como processo proposto, focando na maximização do aproveitamento dos resíduos, do rendimento energético e
na minimização de perdas da matéria prima. Os
resíduos colocados em estudo são provenientes
do processo de uma empresa de extração e envase de água de coco verde localizada no município de Aracruz - Espírito Santo.
Durante o desenvolvimento deste trabalho,
foi levantado o teor de umidade dos resíduos com
a finalidade de sua adequação ao processo de
gaseificação proposto. Resultados preliminares
obtidos por meio de um balanço energético no
processo apresentado mostram que a quantidade
de resíduos gerados pela empresa fornece uma
geração de energia muito pequena e para que
essa produção seja satisfatória, se torna necessária a utilização de uma maior quantidade de rejeitos e, paralelamente a isso, a compensação do
investimento da tecnologia proposta. Em contrapartida, no que diz respeito às questões ambientais, o sistema de gaseificação permite o uso total
da fonte energética, contribuindo para um destino
ambientalmente correto dos resíduos.
NOMENCLATURA
ρ A - Densidade aparente do resíduo seco [g/L]
ρ Au - Densidade aparente do resíduo úmido [g/L]
Ps - Massa seca
[g]
Pu - Massa úmida
[g]
U i - Umidade inicial
[adim.]
[adim.]
U A - Umidade absoluta
V0 - Volume inicial de cada amostra de casca de
S
coco previamente triturada
[L]
V f - Volume final de cada amostra de casca de
coco previamente triturada
[L]
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AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao IEL/SEBRAE-ES
e a FAPES pelo financiamento do projeto.