avaliação preliminar do aproveitamento da casca de coco verde
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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] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, R. G. M., 2005. Abordagem ambiental na caracterização da cadeia logística reversa do coco verde. Trabalho de iniciação científica, Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória – ES. CALLADO, N. H., PAULA, de. D. R., 1999. Gerenciamento de resíduos de uma indústria de processamento de coco - Estudo de Caso. XX Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro - RJ. FREMOND, Y., ZILLER, R., LAMOTHE, M. N., 1969. El Cocotero. Editorial Plume. 1ª Edição, Barcelona – Espanha. GÓMEZ, E. O., 1996. 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