Trugilho, P.F. Apostila Carvão Vegetal

8/10/2019 Trugilho, P.F. Apostila Carvo Vegetal

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CARBONIZAO DA MADEIRA E CONTROLE DEQUALIDADE DO CARVO VEGETAL

Professor: Paulo Fernando Trugilho

LAVRAS - MG2006

UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRASDEPARTAMENTO DE CINCIAS FLORESTAIS

Caixa Postal 3037 - 37200-000 - Lavras - MGFone/Fax: (35) 3829 1411

email: [email protected]


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1. OBJETIVOS DO CURSO

O Curso ser dividido em duas partes, terica e prtica, as quais abordaro os

seguintes assuntos:

1.1. PARTE TERICA

A Matriz Energtica Brasileira

- Fontes de Energia que compe a Matriz Energtica

Conceitos de combusto, gaseificao, poder calorfico e hidrlise

A Carbonizao da Madeira

- Conceito- Teoria da carbonizao da madeira

- Degradao trmica dos componentes fundamentais da madeira

- Fatores que afetam a produo e qualidade do carvo vegetal

- Influncia da madeira

- Influncia do processo de carbonizao

- Sistemas de utilizao do carvo vegetal

Noes de avaliao do contedo energtico da madeira e do carvo

vegetal

1.2. PARTE PRTICA

Ser composta por trs etapas conforme descrito a seguir:

a) Avaliao qualitativa do carvo vegetal Esta parte visa verificao da

qualidade do carvo vegetal e ser composta pelas seguintes anlises:

- Anlise fsica densidade relativa aparente e verdadeira do carvo

vegetal

- Anlise qumica imediata teor de umidade (base seca), materiais

volteis, cinzas e carbono fixo


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b) Avaliao quantitativa do carvo vegetal esta etapa visa a quantificao da

produo do carvo vegetal e ser composta por:

- Rendimentos gravimtricos da carbonizao rendimento em carvo

vegetal, lquido pirolenhoso, alcatro insolvel, gs no condensvel

- Rendimento em carbono fixo

c) Determinao de densidade bsica da madeira e estimativa de massa seca

esta etapa visa o clculo de densidade bsica da madeira e a estimativa de

massa seca.

Alm desses, ainda sero abordados temas relacionados com o controle

gentico das propriedades da madeira e do carvo vegetal.

2. A MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA

Toda matriz energtica sustentada de acordo duas formas ou fontes de

energia, uma denominada de primria e outra de secundria. Esta uma

classificao dada quanto origem combustvel. Os primrios ou naturais so

aqueles utilizados nas mesmas condies em que so extrados da natureza, j os

secundrios ou derivados so aqueles que provm de algum processo de preparao

ou so subprodutos de algum processo.

A matriz energtica uma fonte referencial e estratgica, ou seja, uma srie

histrica composta pelas principais fontes de energia produzidas e usadas por um

dado pas. Ela composta por fontes primrias e secundrias de energia.

O Quadro 1 apresenta um exemplo da composio da matriz energticanacional de 2005.


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As fontes primrias de energia so:

No renovveis Renovveis

- Petrleo

- Gs natural- Carvo vapor- Carvo metalrgico- Urnio (U3O8)

- Energia hidrulica

- Lenha- Cana-de-acar (bagao)

As fontes secundrias de energia so:

No renovveis Renovvel

- Derivados do Petrleo (gasolina, leodiesel, gasolina, GLP, leo combustvel,

etc.)- Metanol- Coque de carvo mineral

- Carvo vegetal- Etanol

QUADRO 1 Matriz energtica nacional: Evoluo do consumo por fonte

FONTE PORCENTAGEM x 103tEP

Gs Natural 6,4 12.185Carvo Mineral 1,9 3.594

Lenha 8,2 15.752Bagao de Cana 10,6 20.273

Outras Fontes Primrias

Renovveis 2,1 4.018

Gs de Coqueria 0,7 1.342Coque de Carvo Mineral 3,6 6.817

Eletricidade 16,2 30.923

Carvo Vegetal 3,3 6.353lcool Etlico 3,6 6.961

Outras Fontes Secundrias 0,1 224

Petrleo 43,3 82.688TOTAL 100,0 191.128

FONTE: BALANO ENERGTICO NACIONAL (MME, 2005) 18,8 + 16.2=35+6.9=41.9tEP = Tonelada Equivalente de Petrleo


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3. CONCEITOS IMPORTANTES

3.1. CONVERSO - A madeira pode ser convertida em vrios tipos de

combustveis.

3.1.1. CARBONIZAO - a operao de decomposio trmica da

madeira, na ausncia ou presena controlada de oxignio (ar), deixando como

resduo slido o carvo vegetal.

MADEIRA CARVO VEGETAL + GASES CONDENSVEIS + GASES NO CONDENSVEIS(calor)

GASES CONDENSVEIS: a) no energticos = gua, cido actico,

solventes metilnicos (acetona), etc.;

b) energticos = alcatres (insolvel e solvel)

GASES NO CONDENSVEIS: a) no energtico = CO2b) energticos = CO, CH4, etc.

3.1.2. HIDRLISE - O processo de hidrlise consiste no ataque dos

componentes celulsicos da madeira pela gua, os quais so convertidos emacares simples, hexoses ou pentoses, deixando a lignina como resduo slido. A

hidrlise pode ser cida ou enzimtica.

MADEIRA + H+LIGNINA (Slido) + ACARES (Lquido)carbonizao fermentao e destilao

alta qualidade carvo etanol (lcool)

3.1.3. PIRLISE= DECOMPOSIO TRMICA = CARBONIZAO

3.1.4. DESTILAO SECA - Quando se est mais interessado nos

produtos volteis do processo de carbonizao ou decomposio trmica da madeira.

O carvo vegetal no o produto principal. Sinnimo de carbonizao.


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3.1.5. GASEIFICAO- a transformao de um combustvel slido em

um combustvel gasoso, ou seja, a transformao da madeira em gases

combustveis, onde o CO o produto principal.

MADEIRA + O2GS POBRE (CO, H2, CH4, etc.) baixo poder calorfico 1200 kcal/Nm3

A quantidade de O2deve ser controlada combusto incompleta.

3.2. COMBUSTO - uma reao de oxidao que o combustvel sofre,

ocorrendo quando a quantidade de O2 suficiente para transform-lo em gases,

deixando como resduo somente os xidos minerais (cinzas). uma reao

francamente exotrmica, isto , de liberao de energia. O carbono e o hidrognio,no caso da madeira, combinam-se com o O2, gerando grande quantidade de energia.

MADEIRA + O2GASES (CO2, CO, CH4, H2O, etc.) + ENERGIA(calor)

Existem duas formas de combusto:

a) Combusto completa ou direta = na presena de O2em excesso.

b) Combusto incompleta ou indireta = na presena controlada de O2.

A intensidade da combusto medida, geralmente, pela presena de CO, que um gs oxidvel, entre os seus produtos.

3.2.1. REAES MAIS IMPORTANTES DA COMBUSTO

a) C(s)+ O2(g)CO2(g)- H => COMBUSTO COMPLETA

H = HCO2(g) - (HC(s) + HO2(g)) Variao da entalpia ou variao deenergia

H = -94.052 cal/molPM Carbono = 12, da que 94.052/12 = 7838 cal/g de carbono.

b) C(s)+ 1/2O2(g)CO(g)- H => COMBUSTO INCOMPLETA

H = -26.416 cal/mol


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c) CO(g)+ 1/2O2(g)CO2(g)- H

H = -67.636 cal/mol

d) H2(g)1/2O2(g)H2O(l)- H

H = -68.317 cal/mol

e) H2(g)1/2O2(g)H2O(g)- H

H = -57.798 cal/molSe subtrairmos ede dteremos a quantidade de energia que a gua, na forma

de vapor, leva com ela, ou seja, o calor latente do vapor d'gua.

68.317 - 57.798 = 10.519 cal/mol ou ainda se dividirmos pelo pesomolecular da gua (PM = 18) teremos a quantidade de energia por peso, que 584

cal/g de gua.

f) S(s) + O2(g)SO2(g)- H

H = -71.040 kcal/molPM Enxofre = 32, da 71.040/32 = 2220 cal/g de enxofre.

3.3. PODER CALORFICO - a medida da quantidade de energia que omaterial combustvel libera quando queimado totalmente, dado normalmente em

cal/g ou kcal/kg para os combustveis slidos e lquidos e em kcal/m3 para os

combustveis gasosos.

A medida do poder calorfico de extrema importncia na avaliao

energtica de qualquer combustvel. Em todo combustvel pode-se obter dois tipos

de poder calorfico, um chamado de poder calorfico superior e o outro chamado de

poder calorfico inferior.

3.3.1. PODER CALORFICO SUPERIOR - o poder calorfico obtido

em equipamentos apropriados denominados de calormetros. a medida da mxima


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quantidade de energia que um combustvel pode liberar, pois aqui o calor latente do

vapor d'gua no perdido.

3.3.2. PODER CALORFICO INFERIOR - o poder calorfico obtido

sem levar em considerao o calor latente do vapor d'gua. A gua gerada perdida

sob a forma de vapor pelo sistema e, assim, leva consigo uma parte da energia

liberada pelo material (calor latente do vapor d'gua). um valor menor, portanto,

que o do poder calorfico superior.

A umidade presente no combustvel a principal responsvel pela reduo

do seu poder calorfico. O Quadro 2 apresenta o poder calorfico de alguns

materiais.

QUADRO 2 Poder calorfico de alguns combustveis

COMBUSTVELPODER CALORFICO

(kcal/kg)Parafina 10.400

leo Combustvel 9.800Carvo Vegetal 7.100Madeira Seca 4.700

Madeira (25 - 30% umidade) 3.500

Querosene 11.110

A madeira possui poder calorfico que varia de 3.000 a 5400 kcal/kg

dependendo da espcie. Madeiras de conferas possuem poder calorfico superior

mdio de 5.200 kcal/kg, enquanto que as madeiras de folhosas possuem poder

calorfico superior mdio de 4.500 kcal/kg. A composio qumica a responsvel

por essa variao, estando relacionada diretamente ao teor de lignina e extrativos.

3.3.3. FRMULAS PARA DETERMINAO DO PODERCALORFICOINFERIOR

a)( )

2220x100

S%28899x

1600

H%O%7838x

100

C%PC i +

+= (Carvo Vegetal)


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EX.: Carvo vegetal

C = 80%H = 8%O = 5%

u = 5%PCi= 6216,2 kcal/kgA energia gasta para evaporar a gua presente no carvo dada por:EG = (584 * 5)/100 = 29,2 cal/g, pois so gastos 584 cal/g de gua.PCtil= 6216,2 - 29,2 = 6187,0 kcal/kg.

b) ( )UxPCx0,0114PCPC ssi = (FRMULA DE TILLMAN - Madeira)U = umidade da madeira, base mida, dada em porcentagem.

c)

++

+=100

9HU%x6002220x

100

S%28899x

1600

O%

100

H%7838x

100

C%PC i (Madeira)

d)1009Hx600PCPC si = , onde H o teor de hidrognio.

e) ( ) ( )[ ] 100xU100/Ux6PCPCL i += , onde U o teor de umidade.

f) Ux51,94590PC i = , onde U o teor de umidade, base seca.

g) TCFx84,2PC i = , onde TCF o teor de carbono fixo.

Pelas equaes apresentadas pode-se perceber perfeitamente a influncia da

umidade no PCi, tanto na madeira como no carvo vegetal. Quanto maior o teor deumidade menor ser o poder calorfico. Pode-se notar tambm que o teor de

oxignio presente no combustvel diminui o seu poder calorfico. Quanto mais

oxigenado for o combustvel menor ser o seu poder calorfico.

Existem outras frmulas de clculo do PCi, tanto para a madeira como para o

carvo vegetal, todas elas possuem vantagens e desvantagens.

Nos pases em desenvolvimento a energia a partir da biomassa pode

representar cerca de 40% da energia total usada. Nos pases mais industrializados a

biomassa contribui com somente 0,1 a 4,0% do total da energia consumida. As

tecnologias utilizadas na produo, converso e uso final da bioenergia variam das

mais simples s mais sofisticadas. A lenha pode ser extrada das florestas naturais ou

ser cultivada e colhida atravs de sistemas mais complexos de florestas energticas.


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A biomassa pode ser convertida em combustvel, sob a forma slida, lquida ou

gasosa, em processos que variam de simples fornos ou at sofisticadas unidades

industriais.

Os combustveis mais comuns encontrados na natureza so ditos

combustveis hidrocarbonetos, isto , aqueles que possuem um esqueleto

predominantemente formado por carbono e hidrognio. A maioria dos combustveis

apresenta na sua estrutura o carbono, o hidrognio e, algumas vezes o enxofre.

Combustvel todo compostos capaz de gerar energia atravs de alguma reao

qumica.

A madeira sem dvida o mais antigo combustvel usado pelo homem. A

madeira madura uma complexa mistura, formada basicamente por carboidratos(holocelulose), lignina, componentes estranhos (extrativos) e elementos minerais.

um material altamente desuniforme tanto do ponto de vista qumico, fsico e

anatmico.

4. A COMPOSIO QUMICA DA MADEIRA

Geralmente as madeiras possuem (anlise qumica):

CELULOSE: 40 - 45% HEMICELULOSES:15 - 35% (FOLHOSAS) PC = 4.200 kcal/kg

20 - 30% (CONFERAS) (HOLOCELULOSE) LIGNINA: 18 - 25% (FOLHOSAS)

25 - 35% (CONFERAS) PC = 6.400 kcal/kg EXTRATIVOS: 3 - 8% }}}}PC = 8.300 kcal/kg CINZAS: 0,2 - 0,5%

> 1% EM MADEIRAS TROPICAIS

A anlise elementar indica que as madeiras possuem:

CARBONO= 49 - 50% OXIGNIO= 44 - 45% HIDROGNIO= 6% NITROGNIO= 0,1 - 1%


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Estes compostos e elementos se combinam para formar a complexa estrutura

que a madeira apresenta.

O poder calorfico dos extrativos depende da sua natureza, se fenlico ou

no, e da sua estrutura qumica, cadeia aberta (aliftico) ou cadeira fechada. O

Quadro 3 apresenta a composio elementar de alguns combustveis utilizados.

QUADRO 3 Composio elementar de alguns combustveis slidos e lquidosCOMBUSTVEL

CARVO LENHAELEM(%) LEO

DIESELQUEROS MINERAL

(1)MINERAL

(2)VEGETAL SECA 30% U

C 86,0 85,6 41,5 52,3 74,5 50,2 35,13H 13,1 14,3 3,1 3,7 3,0 6,3 4,40

O - - 8,4 9,6 17,0 43,1 30,16S 0,9 0,1 1,2 0,5 0,5 - -N - - 0,8 0,9 1,0 0,06 0,04

H2O - - B.S. B.S. B.S. B.S. 30,00CINZAS - - 45,0 32,5 4,0 0,38 0,27

ELEM = elemento, QUEROS = querosene, U = umidade, B.S. = base seca

5. CARBONIZAO DA MADEIRA

A carbonizao da madeira um exemplo tpico de combusto parcial ou

incompleta. Dessa forma, o controle sobre a combusto passa a ser a etapa mais

importante do processo. Esse controle influencia de forma decisiva a produo e a

qualidade do carvo vegetal produzido. O carvo vegetal considerado o resduo

slido remanescente resultante do processo de carbonizao da madeira. A

finalidade fundamental da carbonizao a fixao de carbono. O Quadro 4

apresenta os produtos obtidos da carbonizao da madeira, lignina e celulose.


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QUADRO 4 Produtos gerados pela carbonizao da madeira, lignina e celulose

CARBONIZAOPRODUTO (%) MADEIRA LIGNINA CELULOSE

Carvo 38 50,6 35

Alcatres 8 13,0 6,8Metanol 1 0,9 0,07Acetona 0,2 0,2 0,13

c. Actico 3,2 1,1 2,79GNC 49,6 34,2 55,73

GNC = Gs No Condensvel

O cido actico indesejvel no processo, pois ele corrosivo

A lignina o principal componente qumico da madeira quando esta se

destina produo de carvo vegetal e mesmo para qualquer outra finalidade

energtica. Algumas literaturas fazem referncia de que o componente qumico,

lignina, responsvel por at 55% da produo de carvo vegetal.

A Figura 1 ilustra o esquema de operao um forno de carbonizao.

madeira

carvo

gases

energia liberada pelamadeira.

frente carbonizao

FIGURA 1 Esquema de um forno de carbonizao de madeira

BALANO DE ENERGIA PARA O FORNO

Emadeira= Ecarvo+ Egases

Existem dois tipos de gases um denominado de gs no condensvel e outro

chamado de gs condensvel. Os gases condensveis gerados pelo processo podem

ser facilmente recuperados por algum mtodo de condensao, sendo denominado


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de lquido pirolenhoso. O lquido pirolenho formado por duas pores distintas

uma de cor marrom (castanho) denominada de cido pirolenhoso (c. actico,

metanol, gua, acetona, alcatro solvel, etc.) e outra de colorao escura chamada

de alcatro insolvel (caracterstica fenlica). Estas duas fraes so facilmente

separadas por decantao, pois o alcatro insolvel mais pesado que o cido

pirolenhoso.

6. TEORIA SIMPLIFICADA DA CARBONIZAO

Como j definido anteriormente, a carbonizao um exemplo de combusto

incompleta, sendo que o seu controle decisivo para que se tenha um aumento da

produo e melhoria da qualidade do carvo vegetal.

O Quadro 5 apresenta, de forma sucinta, as fases da carbonizao em funo

da temperatura final.

QUADRO 5 Fases da carbonizao em funo da temperatura

LIBERAODE GUA

PRODUO DEGASES

OXIGENADOS

INCIO DALIBERAO DE

HIDROCAR-BONETOS

FASE DOSHIDROCAR-BONETOS

DISSOCI-AO

FASE DOHIDROG-

NIOTEMP (o

C)

150-200 200-280 280-380 380-500 500-700 700-900

TC(%) 60,0 68,0 78,0 84,0 89,0 91,0GNC:CO2

COH2

68,030,0

-

66,530,00,2

35,520,56,5

31,512,37,5

12,224,642,7

0,59,780,9

HIDROCAR-BONETOS

(%)*

2,0 3,3 37,5 48,7 20,5 8,9

RGC(%) - 44,0 38,0 35,0 31,0 26,0RCF(%) - 30,0 29,6 29,4 27,6 23,7

* alcatro e pirolenhoso; TEMP = Temperatura; TC = Teor de Carbono; GNC = GsNo CondensvelRGC = Rendimento Gravimtrico da Carbonizao; RCF = Rendimento emCarbono Fixo

Pelo Quadro 5 observa-se que a melhor faixa de carbonizao est

compreendida entre 280 e 500 oC, considerando-se a produo de produtos de maior


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interesse. Apesar do hidrognio ser um combustvel altamente energtico, os

sistemas convencionais no permitem a sua utilizao.

Analisando-se as informaes contidas no Quadro 5, acima, pode-se observar

que a carbonizao pode ser dividida em quatro etapas de acordo com a temperatura,

a saber:

a) abaixo de 200 oC - secagem e incio da decomposio trmica da madeira;

b) de 200 a 280 oC - reaes endotrmicas (predominncia), com a liberao de

cido actico, metanol, gua, CO2, etc.;

c) de 280 a 500 oC - reaes exotrmicas (predominncia), com a liberao dos

gases combustveis (CO, CH4, etc.) e alcatres e;

d) acima de 500 oC - o carvo j bem estvel e apenas pequenas quantidades de

volteis, principalmente o H2, so liberados.

Essas etapas ocorrem de modo simultneo em peas de maior dimenso,

caracterizando perodos e/ou zonas de carbonizao dentro dos fornos, com

temperaturas variveis.

6.1. DECOMPOSIO TRMICA DOS CONSTITUINTES BSICOS DAPAREDE CELULAR

HEMICELULOSES Faixa de 225 - 325 oC => So os componentes

qumicos menos estveis termicamente da parede celular. Produzem cerca de 12%

de carvo (base madeira) e materiais volteis.

CELULOSE Faixa de 325 - 375 oC =>Produz cerca de 24% de carvo e

materiais volteis (c. actico, acetona, fenis, gua, etc.)As hemiceluloses mais a celulose so os principais componentes responsveis

pela formao do cido pirolenhoso.

LIGNINA Faixa de 250 - 500 oC => o componente mais estvel

termicamente, apesar de comear a se decompor em temperaturas mais baixas. A


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faixa de maior intensidade de decomposio de 310 a 420 oC. Produz cerca de

55% de carvo; 15% de alcatro, 20% de gua, metanol, acetona, c. actico e; 10 -

15% de CO, CO2, CnHm.

A Figura 2 mostra a anlise termogravimtrica da madeira e de seusconstituintes bsicos.

FIGURA 2 Anlise termogravimtrica da madeira e de seus constituintes bsicos

A Figura 3 mostra dois exemplos de modelos de carbonizao da madeirapropostos por kanury e Blackshear e o de Holmes. O modelo de Holmes indica que a

velocidade da carbonizao de 38 mm/hora.


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FIGURA 3 Modelos de carbonizao propostos por Kanury e Blackshear eHolmes

7. FATORES QUE AFETAM A PRODUO E A QUALIDADE DOCARVO VEGETAL

7.1. FATORES RELACIONADOS MADEIRA

ESPCIE Muito importante fazer uma seleo quando possvel.

PROCEDNCIA Fazer uma avaliao da origem do material.

COMPOSIO QUMICA Os constituintes bsicos da parede celular

so a celulose, as hemiceluloses e a lignina, destes componentes o teor de lignina o

mais importante.

FATORES ANATMICOS porcentagem de fibras, vasos e parnquima,

comprimento, largura e espessura da parede celular desses tecidos. A proporo de

cerne e alburno, onde a maior proporo de cerne aumenta o rendimento em carvo.

DENSIDADE BSICA Por definio densidade bsica dada por:


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DBPS

VOLmad

sat

=

em que, DB densidade bsica, dada em g/cm3, kg/m3ou t/m3; PSmad o peso da

madeira seca, dado em g, kg ou t e; VOLsat= volume verde ou saturado, dado emcm3ou m3.

Existe uma relao direta ou proporcional entre a densidade bsica da

madeira e a densidade relativa aparente do carvo vegetal. Essa relao pode ser

observada pelo Quadro 6. Pode-se estimar a densidade relativa aparente do carvo

vegetal com base na densidade bsica da madeira. Quanto maior for densidade

bsica da madeira maior ser a densidade relativa aparente do carvo vegetal.

DRA = f (DB)

A seguir esto apresentadas exemplos de relao funcional entre a densidade

relativa aparente e densidade bsica da madeira.

EX. 1. DRA = -0,0460256 +0,886744 x DB (r2= 0,69)

EX. 2. DRA = -0,219397 + 1,00779 x DB (r2= 0,56),

onde, DRA a densidade relativa aparente do carvo vegetal e DB a densidade

bsica da madeira, dadas em g/cm3.

O Quadro 6 apresenta exemplos de densidade bsica da madeira e densidade

relativa aparente do carvo vegetal para algumas espcies de eucalipto.

UMIDADE DA MADEIRA O teor de umidade provoca perda sensvel no

rendimento gravimtrico da carbonizao, pois aumenta o gasto de energia durante a

secagem da madeira.

a) U PU PSPS

x100bs= , mais usada pela tecnologia da madeira

b) UPU PS

PUx100bu=

, mais usada pela rea de celulose e papel


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em que, Ubs = Umidade Base Seca, dada em porcentagem; Ubu = Umidade Base

mida, dada em porcentagem; PU = Peso mido, dado em gramas e; PS = Peso

Seco, dado em gramas.

RELAO ENTRE O TEOR DE UMIDADE BASE SECA E BASE MIDA

UU

1 Ue U

U

1 Ubsbu

bubu

bs

bs

=

=+

O teor de umidade influencia a densidade da madeira, por isso sempre que se

relatar o valor da densidade da madeira deve-se tambm indicar qual o seu teor de

umidade.

QUADRO 6 Densidade bsica e a densidade relativa aparente para algumasespcies de eucalipto

ESPCIE IDADE DB (g/cm3) DRA (g/cm3)E. maculata 5 0,643 0,440E. propinqua 9 0,623 0,420E. urophylla 4 0,594 0,360E. saligna 5 0,569 0,346E. grandis 9 0,564 0,360

E. microcoris 5 0,556 0,350

E. cloeziana 4 0,508 0,290E. camaldulensis 4 0,435 0,270E. grandis 4 0,406 0,231

5 0,474 0,3686 0,513 0,386Hbrido7 0,518 0,3985 0,544 0,4586 0,533 0,400E. pellita7 0,545 0,4587 0,614 0,532

E. tereticornis

8 0,585 0,490E grandis 3 0,393 0,3027 0,631 0,514

E. maculata9 0,685 0,554

DB = Densidade Bsica da Madeira, DRA = Densidade Relativa Aparente do Carvo Vegetal


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DIMETRO DA TORA Quanto maior o dimetro implica em maior

dificuldade para se carbonizar, pois frente de carbonizao caminha da superfcie

em direo ao centro da pea. Tambm ser maior a dificuldade na secagem da pea.

Peas de maiores dimetros quando carbonizadas produziram maiores

rachaduras e trincas internas no carvo o que aumentar a produo de finos.

PRODUO DE MASSA SECA A estimativa da produo de massa seca

muito importante para a produo de carvo vegetal. A quantificao da massa

seca dada por:

IMxDBSecaMassa =

onde DB a densidade bsica mdia da madeira e IM o incremento volumtrico

mdio da floresta.

7.2. FATORES ASSOCIADOS AO PROCESSO OU SISTEMA DECARBONIZAO

O controle sobre a combusto parcial o determinante no aumento do

rendimento e na melhoria da qualidade do carvo vegetal produzido. Assim, osfatores relacionados ao processo ou sistema de carbonizao sobre o rendimento e a

qualidade do carvo vegetal passam pelo tipo de forno usado, sistema descontnuo

ou contnuo.

TEMPERATURA FINAL DE CARBONIZAO Quanto maior a

temperatura final de carbonizao menor ser o rendimento em carvo e maior ser

o rendimento em gases condensveis e no condensveis.

TAXA DE AQUECIMENTO Quanto maior for velocidade de aquecimento

menor ser o rendimento em carvo e maior ser o rendimento de gases

condensveis.

PRESSO-


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8. RENDIMENTOS DA CARBONIZAO

Pode-se calcular dois tipos de rendimento, um baseado no peso, o

gravimtrico, e outro baseado no volume, o volumtrico.

RENDIMENTO GRAVIMTRICO Expressa a quantidade de carvo

produzido por unidade de peso de madeira, ou seja:

RGCPCS

PMSx100=

em que, RGC = Rendimento Gravimtrico da Carbonizao; PCS = Peso do Carvo

Seco e; PMS = Peso da Madeira Seca.

RENDIMENTO VOLUMTRICO Expressa a quantidade de carvo

produzido por unidade de volume de madeira, ou seja:

RVCVC

VMx100=

onde, RVC = Rendimento Volumtrico de Carvo; VC = Volume de Carvo e; VM

= Volume de Madeira.

RELAO VOLUMTRICA Expressa a relao entre o volume gasto de

madeira para produzir um metro cbico de carvo. Na prtica considera-se que so

necessrios 2 m3de madeira para se produzir 1 mDC (metro de carvo).

RENDIMENTO EM CARBONO FIXO

o rendimento com base no carbono que foi fixado no carvo.

RCF RGC x TCF100=

em que, RCF = Rendimento em Carbono Fixo, em porcentagem; RGC =

Rendimento Gravimtrico da carbonizao, em porcentagem e; TCF = Teor de

Carbono Fixo, em porcentagem.


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EXEMPLO: carvo com TCF = 80%

RGC = 33%

madeira = 50% de carbono

100 kg de madeira 50 kg de carbono 53% de aproveitamento do total de

carbono da madeira33 kg de carvo 47% de perda de carbono com os gases

gerados

80% de carbono fixo 26,4 kg de carbono

9. DENSIDADE A GRANEL

a densidade dada, geralmente, em kg/st ou kg/m3.

EXEMPLO: Considere que um caminho de transporte de madeira carregue 16 st

de madeira e que o peso dessa madeira seja de 9,6 ton = 9.600 kg. A densidade a

granel ser:

Dag = 9.600/16 = 600 kg/st.

Considere agora que um forno se superfcie padro (5 metros de dimetro) tenha

uma capacidade de 36 st de madeira, sabendo-se que o teor de umidade da madeira

de 30%, base seca, e que a densidade a granel de 600 kg/st. Qual ser o peso seco

da madeira enfornada?

PS = (Dag * Volume de Madeira Enfornada)/(1+Umidade)

PS = (600 * 36)/1,3 = 16.615,48 kg

Retira-se do forno 5.000 kg de carvo, portanto, o rendimento gravimtrico da

carbonizao :

RCG = (5.000/16.615,48) = 30%


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10. SISTEMAS DE UTILIZAO DO CARVO VEGETAL

O carvo vegetal usado em vrios setores industriais, sendo que no Brasil, o

setor siderrgico o maior produtor e consumidor desse insumo. O carvo usado

em fbricas de cimento, padarias, uso domstico, etc. Tambm pode ser triturado e

misturado com um material aglutinante (amido, alcatro, etc.) e a pasta formada

ento prensada para formar os ditos briquetes de carvo vegetal.

10.1. O CARVO NA SIDERURGIA

METALURGIA - Cincia ou arte de extrair metais de seus minerais.

METALURGIA DO FERRO = SIDERURGIA

Minrios de Ferro: Hematita (70% Fe), Magnetita (73% Fe), Limonita (60% Fe)

Fe2O3 Fe3O4 Fe2O3(H2O)3

A hematita e a magnetita so os minrios mais usados no Brasil.

Minrio de ferro = xido mineral.

Uma classificao dos produtos siderrgicos em funo do teor de carbono

pode ser:

ao = 0,5 a 2% de Cferro gusa = 4 a 5% de Cferro fundido = 2 a 4% de C classificao baseada no teor de carbonoferro doce = < 0,5% de C

MO + R RO + M

onde MO o minrio e R o redutor.

Redutores em siderurgia: Hidrognio (H2)Metano (CH4)

Etano (C2H6)Carbono (C)Monxido de Carbono (CO), etc.

MO + C reao endotrmica (reduo direta)

MO + C reao exotrmica (reduo indireta) - prefervel.


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O carvo vegetal dito termoredutor, pois ele fornece a energia e o redutor

para o minrio de ferro.

Seqncia de reduo do minrio:

Fe2O3Fe3O4FeO Fe

Existem duas maneiras de se diminuir o teor de carbono no ferro produzido,

uma misturando-se um ferro mais velho e, portanto, oxidado onde o teor de ferro

menor e uma outra forma misturar oxignio lquido no ferro na forma liquefeita.

10.2. OUTRAS FINALIDADES

A utilizao em outras atividades est sendo cada vez mais acentuada,

principalmente o carvo para uso domstico, na qual algumas empresas tm

investido em empacotadeiras de carvo vegetal.

11. QUALIDADES DO CARVO VEGETAL

a) Poder calorfico alto - fornecer energia;

b) Alto teor de carbono fixo - adequado ao alto forno;

c) Umidade baixa - a umidade influencia as caractersticas fsico-qumicas emecnicas;

d) Densidade alta - ocupa menor espao para um mesmo volume;

e) Resistncia mecnica ao impacto, presso e a frico;

f) Teor de fsforo baixo - menor que 1,7% de fsforo, o sistema no consegue

eliminar o fsforo e o seu acmulo enfraquece as ligaes tornando o ferro

quebradio a frio;

g) Teor de enxofre baixo - at 0,5%, causa um efeito semelhante ao do fsforo.A presena de elevados teores de minerais no carvo vegetal altamente

prejudicial produo de ferro gusa, ferro ligas e de carbureto. Para o ferro gusa e o

ferro ligas, altos teores de minerais no carvo podem provocar a segregao, que

consiste no acmulo de impurezas no centro das peas do metal solidificado. Isso


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acarreta variaes nas propriedades fsicas, qumicas e mecnicas dos produtos,

deixando-os duros e quebradios, menos maleveis e com campos favorveis

propagao de fissuras. Os minerais responsveis por esse fenmeno so o fsforo e

o enxofre. Para o carbureto de clcio (CaC

2), os maiores inconvenientes advindos da

presena de quantidades elevadas de minerais, principalmente de fsforo, que torna

as pedras de carbureto quebradias, esfarelando-se com facilidade. O carbureto de

clcio usado na fabricao do PVC e do gs acetileno (C2H2).

h) Reatividade - propriedade que o carvo tem de reagir com o CO2e produzir CO.

a capacidade que o carvo possui de regenerar o poder redutor do gs.

C + CO22 CO

Quanto maior for quantidade de CO produzido maior ser a reatividade do carvo.

A reatividade do carvo deve ser compatvel com a velocidade de redutibilidade do

minrio de ferro.

i) Porosidade - adequada, facilita a circulao de gases e a reao com o O2 no

interior do alto forno. Maior porosidade implica em maior reatividade.

12. AVALIAO ENERGTICA DA MADEIRA E DO CARVO VEGETAL

Este item tem por finalidade fazer uma avaliao energtica da madeira e do

carvo vegetal, verificando-se a importncia dos plantios para fins energticos.

EXEMPLO 1: Supondo uma rea plantada de 4.500.000 haCrescimento mdio de 20 st/ha.anoDensidade mdia de 500 kg/st (com 30% de umidade)Rotao de 5 anosCalcular:

a) Produo anual de madeira = 20 * 500 = 10.000 kg/ha.ano = 10t/ha.anob) Produo ao final de 5 anos = 10 * 5 = 50 t/hac) Considerando-se que toda rea ser cortada de uma s vez,

teremos uma produo de = 50 * 4.500.000 = 225.000.000 t de madeirad) Considerando que o poder calorfico da madeira com 30% de

umidade de 3.000 kcal/kg = 3.000.000 kcal/t a energia que seria possvel de serliberada = 3.000.000 * 225.000.000 = 6,75 * 1014kcal.


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EXEMPLO 2: Considere que o consumo de madeira em 1992 foi de 20.000.000ton.

Calcular a rea necessria a essa produo, sabendo-se que:Crescimento mdio = 30 st/ha/anoRotao de 5 anos

Densidade da madeira = 500kg/st (com 30% de umidade)a) Produo anual de madeira = 30 * 500 = 15.000 kg/ha.ano =

15t/ha.anob) Produo aos 5 anos = 15 * 5 = 75 t/hac) rea total a ser manejada = 20.000.000/15 = 1.333.333,33 had) rea a ser cortada por ano = 20.000.000/75 = 266.666,67 ha/anoou 1.333.333,33/5 = 266.666,67 ha/anoe) Qual a capacidade calorfica da rea considerando-se que o poder

calorfico da madeira de 3.000 kcal/kg?20.000.000 * 3.000.000 = 6 * 1013 kcal

Por ano ser de = 4.000.000 * 3.000.000 = 1,2 * 1013 kcal/ano

EXEMPLO 3: Em 1991 a produo e o consumo de carvo vegetal foi da ordem de7.725.000 toneladas. Considerando-se que a densidade a granel docarvo de 250 kg/m3e que so necessrios 2 m3de madeira paraproduzir 1 m3de carvo (relao volumtrica). Pergunta-se:a) Qual a quantidade de madeira necessria a essa produo?A produo volumtrica de carvo = 7.725.000 / 0,250 =

30.900.000 m3/anoA quantidade de madeira necessria ser = 2 * 30.900.000 =

61.800.000 m3/anob) Qual a capacidade calorfica da madeira se o seu Poder Calorfico

= 3.000 Kcal/kg e densidade = 500 kg/m3?A quantidade de madeira em tonelada = 61.800.000 * 0,500 =

30.900.000 t/anoA capacidade calorfica = 30.900.000 * 3.000.000 = 9,27 * 1013

kcal/ano.c) Qual a capacidade calorfica do carvo vegetal se o seu Poder

Calorfico = 6.600 kcal/kg?A capacidade calorfica = 7.725.000 * 6.600.000 = 5,10 * 1013

kcal/anod) Qual a eficincia da transformao?ET = (5,10 * 1013/9,27 * 1013) 100 = 55%e) Qual as perdas?P = 9,27 * 1013- 5,10 * 1013= 4,17 * 1013= 45%CAUSAS:i) Na combusto, devido umidade da madeira


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ii) Nos gases gerados durante a carbonizao (CO, CO2, alcatres,H2O, etc.)

Estas so perdas inevitveis. Pode-se, no entanto, minimiz-la

atravs da recuperao e uso de alguns produtos gerados, presentes no lquido

pirolenhoso, que formado por duas fraes o cido pirolenhoso e o alcatro

insolvel. O alcatro insolvel pode ser usado como combustvel, pois possui

caractersticas semelhantes ao leo diesel.

f) Qual a energia perdida por hora?1 ano = 365 dias * 24 horas = 8760 horas4,17 * 1013 kcal ----- 8760 horas

x kcal ---------- 1 horax = 4.760.273.973 kcal/h

g) Sabendo-se que 1 Kw.h = 860 kcal (se a transformao fosse100%) e que a eficincia da transformao do combustvel (carvo) em energiaeltrica de 0,40. Qual seria a energia perdida em Kw?

EP(kw) = (4.760.273.973/860) * 0,40 = 2.214.081 kw.h) COM A RECUPERAO DO ALCATRO - So

recuperados 84kg de alcatro por tonelada de carvo produzido, cerca de 3% emrelao ao peso da madeira seca.

Total de alcatro produzido por ano = 84 * 7.725.000 = 648.900.000kg/ano = 648.900 t/ano

O Poder Calorfico do alcatro 60% do leo diesel, ou seja, de6.000 kcal/kg

A capacidade calorfica do alcatro = 6.000.000 * 648.900 = 3,98 *1012 kcal/ano

Somando-se este valor com o obtido para o carvo vegetal (item c)tem-se:

5,10 * 1013+ 3,98 * 1012= 5,489 * 1013kcal/anoA eficincia da transformao = 5,489 * 1013/9,27 * 1013= 59%

13. CONTROLE GENTICO DAS PROPRIEDADES DA MADEIRA E DOCARVO VEGETAL

Neste item sero apresentados dados relativos ao controle gentico sobre as

caractersticas de qualidade e rendimentos do carvo vegetal. Os resultados

apresentados so da dissertao de MARIA CAROLINA GASPAR BOTREL


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(2006), que trabalhou com 9 clones de eucaliptos e carbonizaes em escala de

laboratrio.

13.1. CARACTERSTICAS DE CRESCIMENTO (DIMETRO, ALTURA

E VOLUME INDIVIDUAL)O Quadro 7 apresenta o resumo da anlise de varincia para as caractersticas

de crescimento da rvore. Observa-se que o efeito de clone foi significativo, que os

coeficientes de herdabilidade clonal (h2c) foram elevados para todas as

caractersticas e que o ganho gentico foi mais elevado para o volume individual

(25,55%).

A relao CVc/CVe, foi superior unidade, sendo obtidos valores de 1,52

para o DAP e 1,46, tanto para a altura como para o volume estimado. De acordo

com Kageyama (1980) e Vencovsky (1978) a relao CVc/CVe, juntamente com a

herdabilidade, indicativo das possibilidades de ganhos genticos com a seleo.

Assim, a razo CVc/CVe maior que 1,0 indica condio favorvel seleo,

conforme j mencionado, pois a variao gentica supera a ambiental.

QUADRO 7 Resumo da anlise de varincia e estimativa dos parmetrosgenticos para dimetro altura do peito sem casca (DAP), altura

total (HT) e volume sem casca em clones de Eucalyptusspp., aos78 meses de idade

Quadrados mdiosFonte deVariao

G.L.DAP (cm) HT (m) Volume (m3)

Clones 8 8,66** 6,31** 0,009**Resduo 18 1,09 0,85 0,001Mdia 16,6 24,3 0,2448CVe(%) 6,29 3,79 13,98CVc(%) 9,56 5,54 20,462f 2,89 2,10 0,00292e 0,36 0,28 0,0004

2

c 2,52 1,82 0,002h2c 87,40 86,47 86,52CVc/CVe 1,52 1,46 1,46Ganho 1,99 1,68 0,0625

Ganho (%) 12,00 6,91 25,55**Significativo, pelo teste de F (p0,01).CVe: coeficiente de variao experimental, CVc: coeficiente de variao gentica,

2f: variao fenotpica,

2e: variao ambiental, 2c: componente quadrtico genotpico, h

2c: coeficiente de determinao genotpica,

CVc/CVe: ndice de variao; Ganho (%): ganho gentico esperado com a seleo de 2 clones.


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13. 2. PROPRIEDADES FSICAS (DENSIDADE BSICA E SECA EMASSA SECA ESTIMADA)

O Quadro 8 apresenta o resumo da analise de varincia para densidade bsica

da madeira e a estimativa de massa seca. Observa-se que o efeito de clone foisignificativo, que os coeficientes de herdabilidade clonal (h2c) foram elevados para

todas as caractersticas e que o ganho gentico foi mais elevado para massa seca

estimada (27,58%).

A relao entre o coeficiente de variao gentico e o coeficiente de variao

experimental (CVc/CVe) obtidos para essas trs caractersticas foram maior que a

unidade.

QUADRO 8 Resumo da anlise de varincia e estimativa dos parmetrosgenticos para densidade bsica (DB), densidade seca (DS) emassa seca (MS) em clones de Eucalyptusspp., aos 78 meses deidade


G.L.DB (g/cm3) DS (g/cm3) MS (kg/rvore)

Clones 8 0,0033** 0,0058** 3032,91**Resduo 18 0,0006 0,0012 500,29

Mdia 0,525 0,679 129,25CVe(%) 4,49 5,03 17,30CVc(%) 5,71 5,76 22,482f 0,0011 0,0019 1010,972e 0,0002 0,0004 166,762c 0,0009 0,0015 844,21h2c 82,93 79,73 83,50CVc/CVe 1,27 1,15 1,30Ganho 0,037 0,049 35,65Ganho (%) 6,98 6,89 27,58

**Significativo, pelo teste de F (p0,01).CVe: coeficiente de variao experimental, CVc: coeficiente de variao gentica,






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13.3. ANLISE QUMICA DA MADEIRA

O Quadro 9 apresenta o resumo da anlise de varincia para teor de cinzas e

de lignina e da massa estimada de lignina na madeira, assim como as estimativas dos

parmetros genticos e fenotpicos. Observa-se que o efeito de clone foi

significativo, que os coeficientes de herdabilidade clonal (h2c) foram elevados para

todas as caractersticas e que o ganho gentico foi mais elevado para massa estimada

de lignina (33,46%).

A relao entre o coeficiente de variao gentico e o coeficiente de variao

experimental (CVc/CVe) foi maior que a unidade, somente para o teor de lignina na

madeira e a estimativa de massa de lignina.

O teor de cinzas na madeira apresentou relao CVc/CVe menor que a

unidade.

QUADRO 9 Resumo da anlise de varincia e estimativa dos parmetrosgenticos para teor de cinzas na madeira (TCz), teor de lignina emassa estimada de lignina em clones de Eucalyptus spp., aos 78meses de idade


G.L.TCz (%) Lignina (%)

Massa lignina(kg/rvore)

Clones 8 0,0065* 17,79** 362,85**Resduo 18 0,0025 2,74 48,27Mdia 0,15 29,55 38,26CVe(%) 33,03 5,60 18,16CVc(%) 24,42 7,58 26,772f 0,0022 5,93 120,952e 0,0008 0,91 16,092c 0,0013 5,02 104,86h2c 62,12 84,61 86,70CVc/CVe 0,74 1,35 1,47

Ganho 0,04 2,77 12,80Ganho (%) 25,72 9,36 33,46**Significativo, pelo teste de F (p0,01).* Significativo, pelo teste de F (p 0,05).CVe: coeficiente de variao experimental, CVc: coeficiente de variao gentica,






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13.4. RENDIMENTOS DO PROCESSO DE CARBONIZAO

A avaliao dos rendimentos obtidos no processo de carbonizao de

extrema importncia quando o material estudado se destina produo de carvo

vegetal.

O Quadro 10 apresenta o resumo da anlise de varincia para as

caractersticas de rendimento do processo de carbonizao. Pode-se observar que

somente as caractersticas rendimento gravimtrico em carvo (RGC) e rendimento

em carbono fixo (RCF) apresentaram efeito de clone significativo (p 0,01). Para o

rendimento em lquido pirolenhoso (RLP) e gases no condensveis (RGNC), o

efeito de clone foi no significativo.

Os coeficientes de herdabilidade clonal (h2c) foram elevados para o

rendimento gravimtrico em carvo vegetal e o rendimento em carbono fixo e o

ganho gentico no foi muito diferente entre essa duas caractersticas.

QUADRO 10 Resumo da anlise de varincia e estimativa dos parmetrosgenticos para o rendimento gravimtrico em carvo (RGC),rendimento em carbono fixo (RCF), rendimento em lquidopirolenhoso (RLP) e rendimento em gases no condensveis(RGCN), em clones de Eucalyptusspp., aos 78 meses de idade


G.L.RGC (%) RCF (%) RLP (%) RGNC (%)

Clones 8 6,92** 2,55** 14,61ns 7,78nsResduo 18 1,55 0,32 8,53 5,23Mdia 35,03 25,97 45,44 19,53CVe(%) 3,56 2,20 6,43 11,71CVc(%) 3,82 3,32 - -2f 2,31 0,85 - -2e 0,52 0,11 - -2c 1,79 0,74 - -

h2c 77,53 87,27 - -CVc/CVe 1,07 1,51 - -Ganho 1,58 1,08 - -Ganho (%) 4,51 4,16 - -

nsNo significativo**Significativo, pelo teste de F (p0,01)CVe: coeficiente de variao experimental, CVc: coeficiente de variao gentica,






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13.5. ANLISE QUMICA IMEDIATA DO CARVO VEGETAL EDENSIDADE BSICA RELATIVA APARENTE

O Quadro 11 apresenta o resumo da anlise de varincia para as

caractersticas qumicas do carvo vegetal e densidade relativa aparente. Observa-seque o efeito de clone foi significativo (p 0,05) somente para a densidade relativa

aparente do carvo vegetal. Para o teor de materiais volteis, o teor de cinzas e de

carbono fixo, o efeito de clone foi no significativo. Este resultado j era esperado,

visto que estas caractersticas so muito influenciadas pela temperatura final de

carbonizao, a qual foi a mesma no presente estudo.

QUADRO 11 Resumo da anlise de varincia e estimativa dos parmetrosgenticos para teor de materiais volteis (TMV), teor de cinzas nocarvo (TCz), teor de carbono fixo (TCF) e densidade relativaaparente (DRA), em clones de Eucalyptusspp., aos 78 meses deidade


G.L.TMV (%) TCz (%) TCF (%) DRA (g/cm3)

Clones 8 7,54ns 0,01ns 7,56 ns 0,004*Resduo 18 7,24 0,0098 7,23 0,002Mdia 25,50 0,25 74,25 0,336

CVe(%) 10,55 40,29 3,62 11,174CVc(%) - - - 8,3912f - - - 0,00132e - - - 0,00052c - - - 0,0008h2c - - - 62,85CVc/CVe - - - 0,75Ganho - - - 0,030

Ganho(%) - - - 8,93ns No significativo*Significativo, pelo teste de F (p0,05)CVe: coeficiente de variao experimental, CVc: coeficiente de variao gentica,






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14. PARTE PRTICA DO CURSO

OBJETIVOS

a) Carbonizao de madeira em escala de laboratrio - simulao do processo

contnuo;

b) Determinao dos rendimentos da carbonizao, lquido pirolenhoso, gs no

condensvel e em carbono fixo - com base no peso da madeira seca;

c) Realizao da Anlise Qumica Imediata do carvo vegetal - determinando-se os

teores de umidade, de materiais volteis, de cinzas e de carbono fixo;

d) Determinao da densidade relativa aparente, densidade relativa verdadeira e da

porosidade do carvo vegetal.

MATERIAL NECESSRIO

- Madeira de Eucalyptusspp, cerca de 500g secas em estufa a 105 3 oC;- Serragem de madeira de Eucalyptus spp, cerca de 10 g, aquela que passar pelapeneira de 40 e ficar retida na de 60 mesh;- Estufa regulada em 105 3 oC;- Balana eletrnica de 2 kg, com preciso de 0,01g;- Balana analtica de 160g, com preciso de 0,0001g;

- Forno eltrico (mufla) adaptado para a carbonizao;- Cadinhos de porcelana - tamanho mdio;- Mufla com regulagem para 1200 oC, que ser usada na anlise qumica do carvo;- Picnmetros de 50 ou 250 ml - densidade relativa verdadeira;- Dessecador tamanho mdio;- Copo de becker de 500 ml;- Manta de aquecimento ou chapa de aquecimento;- Peneiras de 32 e 100 mesh - anlise qumica imediata;- Peneiras de 200 e 270 mesh - densidade relativa verdadeira;- Saco plstico - guardar o carvo produzido;

- Vidro de 100 ml (boca larga) e;- Etiquetas para a identificao do material.


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PROCEDIMENTO DA CARBONIZAO

A carbonizao ser realizada em um forno eltrico (mufla) adaptado,

conforme ilustrao mostrada na Figura 4. O controle do aquecimento ser manual

com incrementos de 50 oC a cada 30 minutos, o que corresponde a uma taxa mdia

de 1,67 oC/minuto. A temperatura inicial ser de 100 oC e a temperatura final ser

de 450 oC, ficando estabilizada por um perodo de 30 minutos. O tempo total de

carbonizao ser, portanto, de 4 horas. Ser utilizada cerca de 500 g de madeira,

previamente seca em estufa a 105 3 C.

AB

C

D

A = Cpsula de PirliseB = Forno Eltrico (Mufla)

C = Condensador Resfriadoa gua

D = Frasco Coletor

FIGURA 4 - Esquema Ilustrativo do Aparelho Usado para Carbonizar a Madeira

14.1. ANLISES FSICAS E QUMICAS NO CARVO VEGETAL

Essas anlises correspondem a um conjunto de determinaes que, permitem

avaliar a qualidade do carvo vegetal, segundo as diversas caractersticas desejadas,

quanto ao seu emprego. As anlises esto assim divididas:

ANLISE FSICA

1.1. Densidade a granel Norma ABNT NBR 6922/811.2. Densidade relativa aparente Norma ASTM D 167-73 (adaptada)1.3. Densidade relativa verdadeira Norma ABNT NBR 91651.4. Porosidade Norma ASTM D 167-731.5. Teste de tamboramento Norma ABNT MB 1375-801.6. Teste de queda Norma ABNT 7416-841.7. Poder calorfico superior Norma ABNT NBR 8633


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ANLISE QUMICA IMEDIADA - NBR 8112 da ABNT (D-1762-64 da ASTM)

1.8. Umidade (base seca)1.9. Materiais volteis1.10. Teor de cinzas1.11. Teor de carbono fixo

15. DESCRIO DOS MTODOS DE ANLISE

15.1. ANLISE FSICA

1.1. Densidade a granel Norma ABNT NBR 6922/81

Material:

Caixa de paredes rgidas de 60 x 60 x 60 cm, dimenses internas; Balana com capacidade suficiente, com preciso de 50 g.

Procedimento: Anotar a tara (peso) da caixa inicialmente (M1). Encher a caixa, cuidadosamente, evitando queda das peas de carvo

de alturas superiores a 5,0 cm do topo da caixa. Procurar como ponto de queda o centro da caixa. Quando o vrtice da

pirmide de empilhamento atingir o nvel da caixa, deslocar ospontos de queda para outros espaos vazios.

Pesar a caixa cheia de carvo (M2)

Clculo:

V

MMDag 12

= , Kg/m3

onde V = 0,216 m3.

1.2. Densidade Relativa Aparente Norma ASTM D 167-73 (adaptada)

Material:

Carvo vegetal que passar pela peneira de 19 mm e reter na de 12 mm,usar 500g de carvo seco em estufa a 105 3 C; Galo de 36 cm de altura e 28 cm de dimetro, contendo um cano, de 1,0

cm de dimetro e 15 cm de comprimento, colocado a 9,0 cm da sua bordasuperior, que funciona como um ladro;

Cesto cilndrico de arame (malha de 10 mm), com altura de 15 cm edimetro de 25 cm;

Balana de preciso;


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Dessecador; Estufa a 103 2 C.

Procedimento: Pesar 500 g de carvo precisamente seco em estufa, com uma

granulometria de 19 -12 mm; Encher o galo, contendo o cesto vazio, de gua at passar pelo cano

(ladro), que estar tampado, deixar que a gua fique nivelada(Figura 5);

Destampar o cano (ladro) e deixar que a gua atinja outro ponto dereferncia (nivelamento), assim que parar de sair gua pelo canofech-lo novamente;

Tirar o cesto, com cuidado para no perder gua do galo, e colocar ocarvo seco no seu interior, fechar e mergulh-lo dentro d'guanovamente;

Esperar por um perodo de 15 a 20 minutos. Destampar o canonovamente e recolher a gua deslocada em um copo becker de 1000ml. Anotar o volume ou pesar a quantidade de gua deslocada;

Tirar o carvo do cesto, deixar o sair o excesso de umidadesuperficial e ento pes-lo.

36 cm

28 cm

15 cm

9 cm

tubo de 1,0 cm de dimetro

cesto: dimetro = 25 cmaltura = 15 cmmalha = 1,0 cm

FIGURA 5 - Esquema ilustrativo do galo usado na medio da densidade relativaaparente

Clculo:

DRA PP (P P )cs

ad cu cs= + , dada em g/cm

3

onde, Pcs, Pade Pcuso o peso do carvo seco, da gua deslocada e do carvo mido

(molhado), respectivamente;

Considerar que a H2O= 1 g/cm3


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A Densidade Relativa Aparente pode ser determinada tambm pelo

mtodo de imerso em gua (mtodo hidrosttico).

1.3. Densidade Relativa Verdadeira Norma ABNT NBR 9165

A densidade relativa verdadeira representa a densidade das substncias que

formam o carvo vegetal.

Material: Carvo modo, sendo aquele que passar pela peneira de 200 e ficar retido

na de 270 mesh; Picnmetro de 50 ou 250 ml; Seringa com agulha fina, para ajudar a completar o nvel do picnmetro; Balana de preciso; Estufa de secagem; Moinho; Dessecador; Manta de aquecimento.

Procedimento: Pesar o picnmetro completamente cheio de gua (Ppa); Secar o picnmetro na estufa e aps isto colocar 10 g de carvo

modo 200 - 270 mesh, no de 250 ml, ou 2 g no de 50 ml;

Colocar gua at 2/3 do volume do picnmetro; Colocar na manta de aquecimento e deixar ferver por 1 hora; Deixar esfriar e completar o volume do picnmetro com gua

destilada e pesar (Ppca);Clculo:

DRVP

P (P P )cs

cs pca pa

=

onde Pcs, Ppcae Ppaso o peso do carvo seco, do picnmetro com o carvo e a gua

e do picnmetro com gua, respectivamente.

1.4. Porosidade Norma ASTM D 167-73


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dada pela relao existente entre as densidades relativa aparente e

verdadeira do carvo vegetal. uma estimativa da quantidade de vazios existentes

no carvo vegetal. determinado da seguinte maneira:

= DRVDRA100100PO

1.5. Teste de Tamboramento Norma ABNT MB 1375-80

Material: Peneiras de 13, 25 e 38 mm; Tambor de chapa de ao de 1/4 com dimetro 30 cm e 25 cm de

comprimento;

Contador de giros; Sistema para girar o tambor a 35,5 rpm; Balana de sensibilidade de 10 g.

Procedimento: Tomar 500 g de carvo que passar na peneira de 38 e ficar retido na

de 25 mm; Colocar no tambor fazendo-o girar 35,5 rpm por 500 voltas; Retirar e passar pela peneira de 13 mm; Pesar o carvo que passar pela peneira de 13 mm (Pf).

Clculo:

x100500

Pf

%Finos=

1.6. Teste de Queda Norma ABNT 7416-84

Material: Caixa com 70 x 45 x 25 cm com fundo em forma de porta (falso), para abri

com rapidez; Piso de cimento liso ou com chapa metlica de 1,0 cm de espessura em

forma de bandeja;

Peneiras de 9,5, 32, 38 e 50 mm; Balana com sensibilidade at 50 g.

Procedimento: Colocar 10 kg de carvo dentro da caixa, carvo este passado na

peneira de 38 mm e recolhido na de 32 mm; Deixar cair de 1, 83 m de altura, por quatro vezes consecutivas; Classificar o carvo utilizando as peneiras de 32 e 9,5 mm;


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Determinar as fraes em relao ao total inicial.Clculo:

( ) ( )

x10010

mm32Peso32%

=

( )

( )

x10010

mm5,9/32Peso

32/9,5% =

( ) ( )

x10010

mm5,9Peso5,9%

=

1.7. Poder Calorfico Superior Norma ABNT NBR 8633

PODER CALORFICO SUPERIOR (PCS): a gua gerada ou vaporizada nacombusto no sai do sistema, sendo recuperada na forma lquida. No ocorre a

perda do calor de vaporizao da gua.PODER CALORFICO INFERIOR (PCI): o calor de vaporizao da gua perdido, sendo portanto um valor menor que o poder calorfico superior.

CALORMETRO ADIABTICO: a combusto ocorre adiabaticamente, ou seja,sem envolver trabalho ou variao de energia cintica ou potencial, sem ocorrerperdas.

Relao entre PCI e PCS:

PCIPCS 600(U 9H)

1 U=

++

onde U o teor de umidade do material (base seca) e H o teor de hidrognio.

Material: Calormetro adiabtico; Bomba calorimtrica; Fio PARR 45C10 (Niquel-Cromo); Serragem de madeira, aquela que passar pela peneira de 40 e ficar retida na

de 60 mesh; Balana de preciso; e Cilindro de oxignio.

Procedimento: Pesar 1,0 g de serragem de madeira em uma cpsula metlica usada

no calormetro; Colocar a amostra dentro da bomba calorimtrica convenientemente; Adicionar oxignio suficiente para promover a completa combusto

da amostra; Introduzir a bomba calorimtrica no interior do calormetro;


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Com o calormetro ligado, deixar que a sua temperatura internaestabilize, em seguida anote-a como ti;

Faa a ignio ou queima da amostra; Espere que a temperatura interna do calormetro estabilize

novamente, em seguida anote-a como tf;

Retire a bomba calorimtrica do calormetro e abra-a com cuidadoretirando o excesso de oxignio lentamente para evitar perdas decido ntrico formado;

Lavar a bomba com gua destilada recolhendo uma amostra para atitulao com o carbonato de sdio (0,07 N), usar como indicadormetil orange (pH do ponto de viragem 4,2). Essa titulao paradeterminar a concentrao de cido ntrico formado que deve serdescontado do poder calorfico superior. Cada ml gasto do carbonatode sdio na titulao equivale a 1 cal, anotar o volume gasto comosendo uma constante;

Medir o fio de Nquel-Cromo, usado para dar incio ignio domaterial, que foi gasto e anotar como sendo outra constante, que deveser descontada do poder calorfico superior, esse valor corresponde energia de ativao que d incio combusto.

Calcular o poder calorfico conforme o tipo de calormetro usado.

15.2. ANLISE QUMICA IMEDIATA

Norma:NBR 8112 da ABNT (D-1762-64 da ASTM)

Objetivo: Determinar os teores de umidade, de materiais volteis, de cinzas e, pordiferena, o de carbono fixo.

Material: Carvo vegetal modo que passou na peneira de 40 e ficou recolhido na de

60 mesh; Balana analtica, com preciso de 0,0001 g; Cadinhos de porcelana, tamanho mdio, com tampa; Forno eltrico mufla com regulagem de temperatura at 1200 C; Estufa de laboratrio; Dessecador completo.

Procedimento: Pesar 1,0 g de carvo modo (40-60 mesh) no cadinho de porcelana

previamente tarado (Peso inicial da amostra); Levar para a estufa regulada em 105 3 C e deixar por duas horas; Tirar o material da estufa, aps este perodo, em dessecador, deixar

esfriar por 15 minutos e pesar. Daqui tira-se o peso final da amostra.


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CLCULO DA UMIDADE

UP P

Px100i f

f

=

onde Pie Pfso os pesos iniciais e finais, respectivamente.

Levar o material seco (cadinho tampado)para a mufla estabilizadana temperatura de 950 C;

Deixar os cadinhos na extremidade externa da porta da mufla por 2minutos, em seguida deixar por 3 minutos na borda. Este perodo para fazer o pr-aquecimento dos cadinhos, ou seja, uma ambincia,para evitar que o cadinho se quebre devido ao choque trmico. Apso acondicionamento dos cadinhos introduzi-los no interior da mufla edeixar por 6 minutos, tir-los em dessecador, deixar esfriar por 30minutos e pesar novamente. Aqui se obtm o peso de material seco

sem a presena dos volteis.CLCULO DO TEOR DE MATERIAIS VOLTEIS

TMVP P

Px100f ms

f

=

onde Pms o peso de matria seca, aps 950 C.

Levar os cadinhos, agora sem tampa, para a mufla estabilizada em750 C. Deix-los nesta condio por 6 horas. Passado este perodo,retirar os cadinhos em dessecador, deixar esfriar por 30 minutos epesar. Aqui se obtm o peso do resduo aps a completa incineraodo material. O teor de cinzas representa a quantidade de componentesinorgnicos no carvo.

CLCULO DO TEOR DE CINZAS

TCzP

Px100r

f

=

onde Pr o peso do resduo aps a incinerao 750 C.

CLCULO DO TEOR DE CARBONO FIXO:

TCz)(TMV100TCF +=

onde TMV e TCz so o teor de materiais volteis e o de cinzas respectivamente.


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16. LITERATURA CONSULTADA

BOTREL, M.C.G. Melhoramento gentico do Eucalyptus para a biomassaflorestal e qualidade do carvo vegetal. Lavras, UFLA, 2006. 68 p. il. (Dissertao

de Mestrado em Florestas de Produo).COQUE E LCOOL A PARTIR DA MADEIRA/COALBRA.lcool e emprego: oimpacto da produo de lcool de cana-de-acar e de madeira sobre a gerao deempregos. Braslia/DF, COALBRA, 170 p., 1983. (Cadernos COALBRA 3).

COQUE E LCOOL A PARTIR DA MADEIRA/COALBRA. Produo de etanolda madeira. Braslia/DF, COALBRA, 118 p., 1983. (Cadernos COALBRA 1).

FUNDAO CENTRO TECNOLGICO DE MINAS GERAIS/CETEC. Manualde construo e operao de fornos de carbonizao. Belo Horizonte, CETEC, 55p. 1982. (Srie de Publicaes Tcnicas, 7).

FUNDAO CENTRO TECNOLGICO DE MINAS GERAIS/CETEC.Conservao de energia no processo de fabricao de cal em fornos rotativos . BeloHorizonte, CETEC, 29 p. 1984. (Srie de Publicaes Tcnicas, 4).

MINISTRIO DA INDSTRIA E DO COMRCIO. Tecnologia da produo deetanol a partir da madeira. Braslia/DF, MIC, v 1, 190 p. 1981.

MINISTRIO DE MINAS E ENERGIA/MME.Balano Energtico Nacional 2005.Braslia/DF, MME, 188 p., 2005 (ano base 2004).

PENEDO, W.R. Carvo vegetal: destilao, carvoejamento, propriedades, controlede qualidade. Belo Horizonte, Fundao Centro Tecnolgico de MinasGerais/CETEC, 173 p., 1982. (Srie de Publicaes Tcnicas, 6).

PENEDO, W.R. Gaseificao da madeira e carvo vegetal. Belo Horizonte,Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais/CETEC, 131 p., 1981. (Srie dePublicaes Tcnicas, 4).

PENEDO, W.R. Produo e utilizao de carvo vegetal. Belo Horizonte,Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais/CETEC, 393 p., 1982. (Srie dePublicaes Tcnicas, 8).

PENEDO, W.R. Uso da madeira para fins energticos. Belo Horizonte, FundaoCentro Tecnolgico de Minas Gerais/CETEC, 158 p., 1980. (Srie de PublicaesTcnicas, 1).

Trugilho, P.F. Apostila Carvão Vegetal

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