i
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
WILHELM ABUD KLEINLEIN
CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS
AMAZNICAS
BELM
2010
ii
WILHELM ABUD KLEINLEIN
CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS AMAZNICAS
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-
Graduao em Engenharia Mecnica da
Universidade Federal do Par para obteno do
ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.
Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins
Nogueira, Ph.D.
BELM
2010
iii
Dados Internacionais de catalogao na publicao (CIP), Biblioteca do Mestrado em Engenharia Mecnica/ UFPA, Belm, PA. K64c Kleinlein, Wilhelm Abud
Caracterizao Energtica de Biomassas Amaznicas/ Wilhelm Abud Kleinlein; Orientador Manoel Fernandes Martins Nogueira. Belm, 2010.
Dissertao (mestrado)-Universidade Federal do Par. Instituto de
Tecnologia. Programa de Ps-Graduao Strictu Sensu em Engenharia Mecnica, 2010.
1. Energia-Biomassa. 2. Caracterizao energetica de biomassas. 3.
Anlise termgravimetrica. I. Nogueira, Manoel Fernandes Martins, orientador. II. Ttulo.
CDD 19.ed. ed. 669.94
iv
WILHELM ABUD KLEINLEIN
CARACTERIZAO ENERGTICA DE BIOMASSAS AMAZNICAS
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-
Graduao em Engenharia Mecnica da
Universidade Federal do Par para obteno do
ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.
Orientador: Prof. Manoel Fernandes Martins
Nogueira, Ph.D.
Data de Aprovao
Banca examinadora:
_______________________________________________________- Orientador
Prof. Manoel Fernandes Martins Nogueira Ph. D. (UFPA)
_________________________________________________________
Prof. Humberto Jorge Jos Dr. (UFSC)
Membro Interno
_________________________________________________________
Profa. Daniele Regina da Silva Guerra Dr. (UFPA)
Membro Externo
__________________________________________________________
Prof. Jess Luiz Padilha Msc. (UFPA) Convidado
v
AGRADECIMENTOS
Deus pela sua presena constante na minha vida, sem que eu precise pedir, me dando
foras e iluminando meu caminho, de modo que eu pudesse concluir mais uma etapa da
minha vida.
Aos meus pais, Frederico G. de Souza Kleinlein e Waldira Abud Kleinlein, pelos
ensinamentos e valores repassados desde o inicio da minha vida, e que contribui at hoje para
meu crescimento pessoal e profissional.
Aos meus avs maternos Alfredo Nazir Abud e Esmeraldina Lamela Abud, e Paternos,
Bruno de Souza Kleinlein in memoriam e Benedita de Souza Kleinlein pelo amor e
compreenso a mim dedicados.
minha noiva, Mrcia Cristina O. Tavares pelo seu amor e compreenso nos dias
difceis, e sua motivao para o termino deste trabalho.
Ao professor Manoel F. M. Nogueira, na sua orientao transmitiu seus ensinamentos, e
pelo tempo disponvel e pacincia para eventuais dvidas encontradas com intuito de concluir
este trabalho.
Agradeo a toda equipe do EBMA da UFPa por seu empenho e contribuio a este
trabalho, em especial aos amigos e colegas de trabalho Charles Denys da Luz Alves, Srgio
Aruana Elarrat e Tiago da Silva Santos
Ao Prof. Rmulo Simes Anglica, e a aluna de Mestrado Suzyanne Santos da
Faculdade de Geocincias, pela ajuda nas analises das biomassas. E a todas as outras pessoas
que contriburam direta ou indiretamente na elaborao deste trabalho.
Agradeo tambm aos rgos financiadores, que possibilitaram a manuteno de bolsa:
FINEP que atravs do edital 07/2005 com o projeto: Adaptao e eficientizao de
gaseificadores de topo aberto operando na Amaznia. Ao CNPq que atravs do edital 33/2006
possibilitou o projeto: Combustor Ciclnico com Parede de gua para Gerao de Vapor
Aplicado para Gerao de Energia Eltrica. Pr-engenharia: Desenvolvimento cientfico e
aprimoramento tecnolgico da converso de biomassa em combustveis de maior valor
agregado. PE 109/2008.
Wilhelm Abud Kleinlein
vi
"Mestre no quem sempre ensina, mas quem de repente aprende."
(Guimares Rosa)
A coisa mais indispensvel a um homem reconhecer o uso que deve fazer do seu prprio
conhecimento.
(Plato)
A mente que se abre a uma nova idia jamais volta ao seu tamanho original.
(Albert Einstein)
vii
RESUMO
A biomassa obteve relevncia energtica como combustvel, uma vez que podem ser
produzidas em larga escala e no balano global de carbono no contribui para o efeito estufa.
A maior parte da Amaznia utiliza combustveis fsseis para a produo de eletricidade
atravs de grupos geradores e termoeltricas. Na regio existe uma grande quantidade de
resduos de biomassa proveniente de manejo florestal, industrial e de resduos agrcolas, como
sementes de aa (Euterpe oleracea), casca da castanha-do-par (Bertholletia excelsa),
angelim pedra (Hymenolobium modestum) e jatob (Hymenaea courbaril). A avaliao
principal a ser considerada para uso do resduo de biomassa amaznica como combustvel a
quantificao de suas propriedades. A caracterizao da biomassa energtica realizada
atravs de uma srie de ensaios, entre eles, anlise imediata e elementar, quantificao do
poder calorfico superior e anlise termogravimtrica. Todos os ensaios foram realizados de
acordo com as normas ASTM para biomassas. Este trabalho apresenta a caracterizao de
energtica de 20 espcies diferentes entre madeiras, cascas e semente e bambus. O poder
calorfico superior (PCS) encontrado ficou entre 18,79 e 22,22 MJ/kg. A anlise imediata
apresentou teores de umidade, volteis, carbono fixo e cinzas, entre 14,48 e 6,08%, 91,34 e
50%, 49,65 e 8,44% e 19,77 e 0,14% respectivamente. O resultado da anlise elementar
apresentou teor em carbono entre 52,23 e 44,95%, hidrognio 6,50 e 5,23%, nitrognio entre
6,00 e 0,92%, enxofre entre 0,96 e 0,00%, a frao de oxignio foi obtida por diferena
ficando entre 44,73 e 35,52%. Resultados da anlise termogravimtrica apresentaram o valor
global da energia de ativao entre 110,12 e 267,11 kJ.mol-1
e fator pr-exponencial entre
7,39x105 e 66,44 S
-1 para o processo de pirlise. Com os resultados obtidos pode-se
determinar o valor de PCS com as seguintes equaes = 0,82 + 0,38 + 0,09 e
= 3,07 32,80 120,92 + 6,45 .
Palavra-chave:. Biomassa, Anlise Imediata, Anlise Elementar, Poder Calorfico Superior,
TGA/DTG.
viii
ABSTRACT
Biomass has obtained relevance as energy fuel once it can be produced at large scale and also
does not contribute for the greenhouse effect. Most of the Amazon Region uses fossil fuels to
produce electricity through generators and thermo-electric plants. In the region there is a lot of
waste biomass from forestry, industrial and agricultural waste, such as aa seed (Euterpe
oleracea), castanha-do-par shell (Bertholletia excelsa), angelin pedra (Hymenolobium
modestum) and jatob (Hymenaea courbaril). The main assessment to consider the use of
biomass waste as fuel is the quantification of their energetic properties through an energetic
characterization. The energy characterization of biomass is accomplished through a series of
tests, among them, proximate and ultimate analysis, measurement of calorific value and
thermal analysis performed in accordance with all ASTM standards for biomasses. This paper
presents the energy characteristics of 20 different Amazonian species of wood, bark, seeds
and bamboo. The Higher Heating Value (HHV) was found between 22.22 and 18.79 MJ/kg.
The proximate analysis showed moisture, volatile, fixed carbon and ash, between 14.48 and
6.08%, 91.34 and 50%, 49.65 and 19.77 and 8.44% and 0.14% respectively. The ultimate
analysis result showed carbon content between 52.23 and 44.95%, 6.50 and 5.23% for
hydrogen, nitrogen between 6.00 and 0.92% and sulfur 0.96 from 0.00%, the oxygen fraction
being obtained by difference between 44.73 and 35.52%. Results of thermogravimetric
analysis showed the total energy activation value between 110.12 and 267.11 kJ.mol-1, the
pre-exponential factor (frequency factor) between 66.44 and 7.39 x105 S-1
for the process
pyrolysis. With these results we can determine the value of HHV The following equations
= 0,82 + 0,38 + 0,09 e = 3,07 32,80 120,92 + 6,45 .
Keywords: Biomass, Immediate Analysis, Elemental Analysis, High Heating Value,
TGA/DTG.
ix
SUMRIO
CAPITULO 1: INTRODUO E OBJETIVO ............................................................................... 14
1.1 Introduo:....................................................................................................................................................... 14
1.2 Objetivo: .......................................................................................................................................................... 18
CAPITULO 2: REVISO DA LITERATURA ............................................................................... 19
CAPITULO 3: METODOLOGIA ..................................................................................................... 22
3.1 Procedimento ................................................................................................................................................... 22
3.1.1 Amostragem e preparao ............................................................................................................................ 22
3.1.2 Anlise Imediata ........................................................................................................................................... 24
3.1.2.1 Teor de umidade (%): ................................................................................................................................ 25
3.1.2.2 Teor de Volteis %: ................................................................................................................................... 26
3.1.2.3 Teor de cinzas %: ...................................................................................................................................... 27
3.1.2.4 Teor de carbono fixo %: ............................................................................................................................ 27
3.1.3 Anlise Elementar % mssica C, H, N, S e O ............................................................................................. 28
3.1.4 Poder Calorfico Superior PCS (kJ/kg) ...................................................................................................... 29
3.1.5 Poder Calorfico Inferior (PCI) ..................................................................................................................... 30
3.1.6 Anlise Termogravimtrica Fator de Frequencia (s-1
) e Energia de ativao (kJ/mol). ................................ 31
3.1.6.1 Formulao matemtica utilizada na anlise termogravimtrica. .............................................................. 33
CAPITULO 4: RESULTADOS OBTIDOS ..................................................................................... 35
4.1 Anlise Imediata: ............................................................................................................................................. 35
4.2 Anlise elementar: ........................................................................................................................................... 38
4.3 PCS: ................................................................................................................................................................. 41
4.4 Anlise Termogravimtrica ............................................................................................................................. 43
x
CAPITULO 5: CALCULO DO PCS EM FUNO DOS RESULTADOS ................................... 50
5.1 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar e o conceito de calor de reao. ...................... 50
5.2 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar por regresso. .................................................. 55
CAPITULO 6: DISCUSSO DOS RESULTADOS. ....................................................................... 57
CAPITULO 7: CONCLUSES ......................................................................................................... 59
REFERNCIAS .................................................................................................................................. 60
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Variao da oferta de energia com o tempo (Ministrio das Minas e Energia,
2007) ................................................................................................................................. 14
Figura 1.2 - Acomodao de resduos na linha de produo fonte:
............. 15
Figura 1.3 - Depsito de resduos de serraria. fonte:
.............................................................................. 16
Figura 1.4 Diagrama do processo de combusto de slidos. (Nogueira, 2008). ................... 17
Figura 1.5 Fluxo de calor e reaes qumicas que ocorrem no processo de gasificao.,
(Nogueira, 2008) ............................................................................................................... 17
Figura 1.6 Perda de massa em % de 4 espcies de Bambu com o aumento da temperatura . 18
Figura 2.1 Desenho esquemtico mostrando as diferentes escalas da estrutura hierrquica de
uma arvore resinosas. Adaptado de Harrington (1996) e Rousset (2004). ...................... 19
Figura 3.1 Moinho Triturador, marca Ika Werke, mod. A11-Basic ...................................... 23
Figura 3.2 Conjunto de peneira e fundo, marca Fritsch. ....................................................... 23
Figura 3.3 Balana analtica com quatro casas de preciso, marca OHAUS, mod. AS200. . 24
Figura 3.4 Estufa do LaCBio Marca Odontobrs Mod. EL 1.4............................................. 25
Figura 3.5 Dessecador do Laboratrio LACBio .................................................................... 25
Figura 3.6 Mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100 ............................................................ 26
Figura 3.7 Foto do Analisador Elementar marca Perkin Elmer mod. 2400 Serie II ............. 28
Figura 3.8 Balana analtica mod.: AD-6, ambos da Perkin Elmer. ...................................... 28
Figura 3.9 Esquema simplificado do funcionamento do analisador elementar 2400 da Perkin
Elmer. ............................................................................................................................... 29
Figura 3.10: Sistema da Bomba calorimtrica, marca Ika Werke, mod. C2000 control. ......... 30
Figura 3.11 Balana SETSYS 12 da marca SETARAM localizada no LPF em Braslia-DF.
.......................................................................................................................................... 31
Figura 3.12 Balana da marca Thermal Science, mod. PL-STA localizada no Lab. De
Anlises Trmicas da UFPA. ........................................................................................... 32
Figura 3.13 Curva de TG e DTG do Acido Acetilsaliclico com aquecimento de 10C/min.
Fonte (Ionashiro, 2005). ................................................................................................... 32
xii
Figura 4.1 Grfico comparativo das mostras com o somatrio dos resultados de carbono
fixo, volteis, cinzas e umidade. ....................................................................................... 36
Figura 4.2 Anlise Imediata com destaque para cada tipo de amostra. ................................ 37
Figura 4.3 Somatrio da anlise elementar entre todas as amostras. .................................... 39
Figura 4.4 Comparativo da anlise elementar por espcie. ................................................... 40
Figura 4.5 Grfico comparativo entre PCS e PCI das mostras . ............................................. 42
Figura 4.6 Demonstrativo da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas
analisadas no LPF-DF em ambiente inerte (nitrognio). .................................................. 44
Figura 4.7 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das
biomassas analisadas no LPF-DF apresentando os picos de converso. .......................... 44
Figura 4.8 TGA e DTG do Dendrocalamus Giganteus 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise
trmica da Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ....................................... 45
Figura 4.9 TGA e DTG do Aa 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da
Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ......................................................... 46
Figura 4.10 TGA e DTG da espcie Muiracatiara 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise
trmica da Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo. ....................................... 46
Figura 4.11 Curva de perda de massa obtida na anlise termogravimtrica no Lab. de anlise
trmica da Faculdade de Geocincias. .............................................................................. 47
Figura 4.12 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das
amostras de bambus analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.
.......................................................................................................................................... 48
Figura 4.13 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das
amostras de madeiras analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de
geocincias........................................................................................................................ 49
Figura 4.14 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das
amostras de sementes analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de
geocincias........................................................................................................................ 49
Figura 5.1 Disperso dos resultados da equaes 5.11.......................................................... 54
Figura 5.2 Disperso dos resultados e regresso da equao5.12. ........................................ 56
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Relao de amostras analisadas. .......................................................................... 22
Tabela 4.1 Resultados da Anlise Imediata das amostras analisadas. ................................... 35
Tabela 4.2 Resultados da anlise elementar das amostras analisadas, com C, H, N, S e O*.
.......................................................................................................................................... 39
Tabela 4.3 Resultados de PCS (kJ/kg) e PCI (kJ/kg) das amostras analisadas, em base seca.
.......................................................................................................................................... 42
Tabela 4.4 Resultados da anlise termogravimtrica das amostras analisadas na UFPA e no
LPF. .................................................................................................................................. 43
Tabela 5.1 valores de entalpia de formao e massa molar dos elementos, 298K. ................ 52
Tabela 5.2 Valores calculados para determinao de A da equao 5.11 e do PCS
considerando os teores de C e H. ...................................................................................... 54
Tabela 5.3 valores de PCS, C e H determinados no LacBio e os valores de PCS calculados
atravs da regresso linear. ............................................................................................... 55
14
CAPITULO 1: INTRODUO E OBJETIVO
1.1 Introduo:
O consumo de energia global teve um incremento a partir do sculo XIX, devido
rpida urbanizao, industrializao e revoluo tecnolgica ocorrida ao redor do mundo.
de grande interesse mundial encontrar alternativas para substituir a atual matriz energtica
baseada em extrao de combustveis fsseis. Segundo o Boletim do Balano Energtico
Nacional (Ministrio das Minas e Energia, 2010), a produo de energia proveniente de lenha e
carvo vegetal foi reduzida em detrimento da energia hidrulica e o petrleo e derivados no
perodo de 1941 2007, Figura 1.1. Atualmente as biomassas representam cerca de 28% da
energia consumida no Brasil (lenha, carvo veg. e produtos da cana), o que equivale a 66,72
milhes de toneladas equivalentes de petrleo (TEP) por ano.
Figura 1.1 Variao da oferta de energia com o tempo (Ministrio das Minas e Energia, 2007)
Segundo Padilha, (2009) no Brasil, a biomassa pode ser considerada o primeiro
combustvel renovvel usado em larga escala, principalmente por ser encontrado na natureza
em abundncia.
15
O Brasil vem buscando novas alternativas para aumentar a diversidade de sua atual
matriz energtica. Dentre as alternativas destacam-se a energia hidroeltrica, elica, solar, e a
utilizao de biomassa (lenha e carvo). Na regio norte, devido s grandes distncias de
algumas localidades torna-se muito onerosa a transmisso energtica, deve-se ento repensar
o uso das termoeltricas ou grupos geradores alimentados por gaseificadores ou leos vegetais
como alternativa.
notvel o grande nmero de serrarias e sua importncia econmica dentre as
atividades produtivas da Amaznia e em particular no Estado do Par. No ano de 2002 a
indstria de desdobramento gerou R$ 5,4 bilhes e em 2004 foram exportados mais de um
milho de toneladas de produto acabado segundo a AIMEX (Padilha, 2006). Juntamente com
essa atividade vem um problema srio que a deposio dos resduos inerentes s suas
respectivas cadeias produtivas. Esses rejeitos, em torno de 50% da massa de entrada do
processo, quando no so queimados em fornalhas tradicionais, so queimados a cu aberto
ou simplesmente amontoados, Figura 1.2 e Figura 1.3. Estas so alternativas pouco eficientes
e ecologicamente imprprias, passveis de taxao pelos rgos ambientais. Deve-se, portanto
promover um programa de aproveitamento destes resduos para fins energticos.
Figura 1.2 - Acomodao de resduos na linha de produo fonte:
16
Figura 1.3 - Depsito de resduos de serraria. fonte:
Entre as alternativas de fonte energtica encontra-se o aa. De acordo com o IBGE (2008)
a produo nacional de frutos da palmeira aa totalizou 108.033 toneladas, em 2007. O
principal produtor foi o Estado do Par, que em 2007 concentrou 86,8% da produo
nacional. A polpa corresponde a 15% do peso total do fruto enquanto o caroo corresponde a
85%, este pode ser utilizado na fabricao de mveis, placas acsticas, xaxim, compensados,
indstria automobilstica, rao animal, alm de uso na gerao de vapor, carvo vegetal e
adubo orgnico entre outros (HOMA, 2005).
Outro tipo de biomassa de interesse energtico o bambu, que por ser uma gramnea, um
vegetal que tem rpido crescimento e fcil multiplicao vegetativa (Varanda L. D, 2009).
Algumas espcies de bambu tem taxas de crescimento muito altas, atingindo sua altura
mxima em cerca de 30 dias para as espcies de pequeno porte, e no mximo 180 dias para as
espcies gigantes, como o Dendrocalamus giganteus. Desta forma pode-se programar o
sistema de colheitas peridicas e deste modo efetuar entre 2 e 12 cortes por ano.
A utilizao de biomassa enquadra-se no contexto da reviso da matriz energtica com
considervel importncia, pois so de fontes renovveis, sendo obtidas de atividades agrcolas
e florestais. O aproveitamento energtico destes resduos pode ser feito convertendo os
componentes da biomassa em gases combustveis, no processo de gaseificao, atravs da
queima direta, na combusto, ou ainda na produo de combustveis lquidos.
Na combusto e/ou gasificao, a biomassa slida convertida em gs ao final do
processo. Estes processos possuem quatro etapas de converso. As etapas que compem a
17
combusto so apresentadas na Figura 1.4, j a seqncia de reaes possveis do processo de
gaseificao so apresentados na Figura 1.5. Esses quatro processos de converso so melhor
identificados em uma balana termogravimtrica. Esta balana mede a variao do peso da
amostra de biomassa enquanto sua temperatura elevada gradativamente. A Figura 1.6
apresentada na seqncia demonstra esta perda de massa em porcentagem.
Figura 1.4 Diagrama do processo de combusto de slidos. (Nogueira, 2008).
Figura 1.5 Fluxo de calor e reaes qumicas que ocorrem no processo de gasificao., (Nogueira, 2008)
Secagem
Biomassa mida
Biomassa
Pirlise
Gs de pirlise carvo
Combusto
C+O2 CO24H+O2 2H2O
CnHm+(n/2+m/4)O2 nCO2+ m/2H2O
REDUO
C+CO22COC+H2OCO+H2
CnHm+nH2OnCO+(m/2+n)H2CnHm+nCO22nCO+m/2H2
H2O
Alcatro
CH4
G
S P
RO
DU
ZID
OCO2H2O
CO
H2
CALOR
H2OBiomassa seca
18
Figura 1.6 Perda de massa em % de 4 espcies de Bambu com o aumento da temperatura
1.2 Objetivo:
O objetivo deste trabalho avaliar o potencial energtico de 20 diferentes espcies de
biomassas da Amaznia por meio de sua caracterizao fisico-quimica.
Determinar a anlise imediata das biomassas;
Determinar a anlise elementar das biomassas;
Determinar o poder calorfico superior das biomassas e correlacion-los com os
parmetros da analise elementar;
Determinar os parmetros cinticos da cintica de pirlise das amostras de biomassas
por meio de termogravimetria
19
CAPITULO 2: REVISO DA LITERATURA
A madeira como uma biomassa vegetal um composto orgnico natural principalmente
constitudo de carbono, hidrognio e oxignio (C3,3-4,9H5,1-7,2O2,0-3,1), os quais combinados
formam as cadeias moleculares que compem a biomassa: celulose, hemicelulose e lignina
(Tillman, 1991). Por ser, a madeira, um compsito natural, as rvores diferem umas das outras
na mesma espcie bem como na mesma regio onde est localizada, caracterizando assim um
individuo, a Figura 2.1 apresenta os cortes de uma arvore.
Figura 2.1 Desenho esquemtico mostrando as diferentes escalas da estrutura hierrquica de uma arvore
resinosas. Adaptado de Harrington (1996) e Rousset (2004).
Segundo Nogueira (2008), o ponto de partida para o dimensionamento de um sistema de
potncia por combusto ou por gasificao a quantificao de quanta energia existe no
combustvel. No caso de processos de combusto, deseja-se converter essa energia em calor,
enquanto que no processo de gasificao deseja-se transferir a energia contida na biomassa
para os gases produzidos que sero processados posteriormente.
20
As anlises fundamentais so o PCS e anlise imediata. Por este motivo todos os
trabalhos realizados, referentes a caracterizao biomassas ou qualquer outro produto como
insumo energtico, impreterivelmente devero conter estas anlises.
Seye O. (2008) apresentou a qualidade energtica de 20 espcies de madeiras nativas do
Estado do Amazonas. O poder calorfico superior foi determinado entre 16,60 e 22,80 MJ/kg,
os resultados dos teores de carbono fixo (%), cinzas (%), umidade (%) e materiais volteis
(%).
Com a utilizao de um analisador elementar em complemento determinao de PCS
e anlise imediata pode-se caracterizar quimicamente a amostra de biomassa. Seye O. et al
(2000) utilizou a anlise imediata, anlise elementar e anlise termogravimtrica como forma
de caracterizar capim elefante, resduo de madeira, bagao e palha de cana-de-acar
realizando assim uma avaliao comparativa entre estas biomassas indicando quais podem
servir como insumo na produo de carvo vegetal, e quais podem servir para produzir bio-
leo. J Santos E. et al, (2007) realizou anlise de PCS, anlise elementar e massa especfica
de 11 espcies amaznicas lenhosas, que foram pr-selecionadas a partir do banco de dados
do Centro de Desenvolvimento Energtico Amaznico CDEAM. Os valores de poder
calorfico que foram obtidos ficaram bem prximos entre si, variando numa faixa de 15,30
MJ/kg a 18,75 MJ/kg.
Com relao s termoanlises, Vrhegyi G., et al, (1997) que discutiu a decomposio
trmica de materiais ligninocelulsico e os componentes principais de biomassa. Leiva, C.
(2005), caracterizou o comportamento e diferentes leos combustveis atravs da
termogravimtrica com diversas taxas de aquecimento variando de 2 C/min. at 80 C/min.,
onde pode-se observar a influencia da temperatura na cintica de decomposio trmica das
amostras, e com isso determinar da Energia de Ativao como funo do grau de converso
() da biomassa de forma a usar este parmetro para apontar uma tendncia do
comportamento e caracterizar diferentes amostras liquidas ou solidas. Riegel,I. et al, (2008),
apresentou parmetros cinticos da decomposio da accia-negra em ensaios isotrmicos1
realizados com temperaturas entre 250 e 750C por 2h, e em ensaios dinmicos2 variando da
1 A amostra elevada a temperatura em que ser realizada a anlise e permanece nesta temperatura por um
tempo determinado para que ocorra a sua converso. 2 A amostra aquecida progressivamente com taxa de aquecimento pr-determinada desde temp. ambiente at
uma temp. final verificando assim sua converso.
21
temperatura ambiente at 900C com vrias taxas de aquecimento. Os resultados isotrmicos
ficaram prximos dos resultados dos ensaios dinmicos.
Quirino, W. F. (2000) realizou a degradao da madeira de htre (uma folhosa
comercial europia) e de trs resduos de processos diversos, com o intuito de pesquisar as
condies timas da degradao piroltica e quantificar as composies dos efluentes gasosos,
do slido residual bem como certas caractersticas fsico-qumicas do mesmo. Resende,
F.L.P., (2003), utilizou os dados experimentais obtidos de curvas de TGA de Bagao e palha
de cana, Capim-elefante e Serragem para construo de um modelo matemtico que possa
predizer o comportamento cintico destas biomassas quando degradadas em gaseificadores de
Leito Fluidizado para uso do gs de sntese.
Um pequeno nmero de correlaes entre o valor de PCS e anlises elementar e
imediata para biomassas so encontrados na literatura. Estas anlises se concentraram em um
nico tipo de combustvel ou depende do pas de origem. Demirbas A. (1997) caracterizou
atravs da anlise elementar e imediata, 16 amostras de biomassas obtidas de diferentes fontes
da Turquia para criar uma correlao que determine o valor de PCS. Do mesmo modo Parikh
J. (2004) se valeu dos mesmos tipos de anlise para formatar uma equao que relacione
carbono fixo, volteis e cinzas com o PCS medido, neste caso foram utilizadas 100 amostras
diversas origens, entre carvo, madeiras e outros tipos de biomassas. Friedl A. et al. (2005),
realizou analise imediata e PCS de 154 amostras de 11 espcies de biomassas e misturas
diferentes, obtendo uma equao emprica.
Este trabalho d inicio a uma linha de pesquisa que realizar a caracterizao completa
das biomassas amaznicas que hoje tem uma cadeia produtiva. Com o objetivo de fornecer
dados que contribuam para uma melhor escolha de acordo com a biomassa disponvel como
combustvel. Ser tambm o primeiro trabalho da UFPA a propor um equacionamento para
determinao de PCS com relao a analise elementar das biomassas amaznicas.
22
CAPITULO 3: METODOLOGIA
3.1 Procedimento
3.1.1 Amostragem e preparao
Para otimizar os resultados das anlises realizadas as amostras foram divididas em trs
tipos; madeiras, casca e caroos e bambus, que so apresentadas na Tabela 3.1. As amostras
de madeiras utilizadas neste trabalho foram coletadas na forma de aparas em duas marcenarias
da cidade de Belm Pa, estando acondicionada em prateleiras onde epois seriam usadas. O
primeiro ponto de coleta fica localizado na Av. Fernando Guilhon, n 1.605 de propriedade do
Sr. Guilherme. O segundo ponto de coleta est localizado na Av. Perimetral, SN, em frente ao
4 porto da UFPA de propriedade do Sr. Ariel dos Santos. A amostra de casca de cco foi
coletada na feira do conj. Presidente Mdici no bairro da Marambaia. A amostra de caroo de
aa utilizada foi coletada na Av. Bernardo Sayo pelo mestrando Charles Denys. A amostra
de casca de castanha do Par foi coletada na Benedito Mutran & Cia. Ltda localizada na Av.
Bernado Sayo, n 4.800. As amostras de tucum, dend babau e caroo de inaj utilizadas
so do banco de amostras do LacBio - laboratrio de caracterizao de biomassa localizado
no laboratrio de Engenharia Mecnica da UFPA, estando armazenadas em caixas abaixo da
bancada do laboratrio. As espcies de bambu foram enviadas por correio em sacos plsticos
embalados vcuo pelo prof. Waldir Quirino do Laboratrio de Produtos Florestais do
Servio Florestal Brasileiro em Braslia DF.
Tabela 3.1 Relao de amostras analisadas.
TIPO NOME COMUM NOME CIENTFICO FAMLIA
Mad
eira
s
IP Tabebuia serratifolia Bignoniaceae
JATOB Hymenaea courbaril Caesalpiniaceae
TATAJUBA Bagassa guianensis Moraceae
ANGELIM VERMELHO Dinizia excelsa Mimosaceae
ANGELIM PEDRA Hymenolobium modestum Fabaceae
MARUP Simarouba amara Simaroubaceae
(continua)
23
(continuao)
TIPO NOME COMUM NOME CIENTFICO FAMLIA M
ad
eira
s
LOURO Ocotea sp. Lauraceae
CEDRO Cedrela sp. Meliaceae
MOGNO Swietenia macrophylla Meliaceae
ANDIROBA Carapa guianensis Meliaceae
TIMBORANA Piptadenia suaveolens Mimosaceae
Ca
sca
s e
Ca
roo
s
CAROO DE AA Euterpe oleracea Arecaceae
TUCUM Astrocaryum aculeatum Arecaceae
DEND Elaeis guineensis Arecaceae
CASCA DE COCO Cocos nucifera Arecaceae
CAST. DO PAR Bertholletia excelsa Lecythidaceae
Ba
mb
us BAMBU 1 Bambusa Vulgaris Vulgaris Poaceae
BAMBU 2 Bambusa Vulgaris Vittata Poaceae
BAMBU 3 Guadua Sacocarpa Poaceae
BAMBU 4 Dendrocalamus Gigantus Poaceae
Fonte: banco de dados de madeiras brasileiras
A preparao da amostra foi feita de acordo com o mtodo A da norma ASTM E
1757-01, para amostras com quantidades acima de 20g.
Nesta fase, foram utilizados um moinho triturador da Ika Werke mod. A11-Basic
(Figura 3.1), peneiras com abertura mesh 20, mesh 80 e fundo (Figura 3.2), placas de petri
para armazenagem da amostra, e balana da marca OHAUS mod. AS200 com preciso de
0,0004g, (Figura 3.3).
Figura 3.1 Moinho Triturador, marca Ika
Werke, mod. A11-Basic
Figura 3.2 Conjunto de peneira e fundo, marca
Fritsch.
24
Figura 3.3 Balana analtica com quatro casas de preciso, marca OHAUS, mod. AS200.
As amostras foram espalhadas para secagem em temperatura ambiente, a uma altura de
15cm durante pelo menos 24hs. Na seqncia o material foi colocado na estufa para
determinao de umidade. Em seguida o material seco foi colocado no triturador e peneirado.
As peneiras foram colocadas no agitador na seguinte ordem: tampa superior, mesh 20, mesh
80 e fundo, sendo ento agitadas por 15 1 min.
Ao fim do perodo a frao retina na peneira mesh 20 devera ser reprocessada, a frao
retida na peneira mesh 80 foi retirada para ser usada na anlise imediata (volteis e carbono
fixo) e os finos que ficaram no fundo da peneira foram separados para anlise de cinzas. A
percentagem da frao de biomassa utilizada dada pela equao 3.1.
2080
% = 2080
100% 2080
+ 80 (3.1)
Onde:
2080
= o peso, em gramas, da massa retida na peneira mesh 80.
80 = o peso, em gramas, da massa retida no fundo da peneira.
3.1.2 Anlise Imediata
A anlise imediata utilizada para mensurar a quantidade de umidade, volteis, carbono
fixo e cinzas na amostra. Neste trabalho so utilizadas as normas ASTM E 871 82, E 872
82 e E 1755 01 e todas as anlises so feitas em triplicata e o valor apresentado a mdia
simples entre dos resultados encontrados.
25
3.1.2.1 Teor de umidade (%):
Aps a preparao como especificado acima, a placa de petri foi colocada na estufa,
marca: Odontobrs, Mod. EL 1.4 (Figura 3.4), por 30 min. com temperatura de 103 1 C,
em seguida deixa-a resfriar no dessecador (Figura 3.5) para equilibrar com a temperatura da
sala para depois ser pesada. Uma amostra de no mnimo 50g na placa de petri e pesa-se o
conjunto. O conjunto ento colocado na estufa novamente a temperatura de 103 1C por
16h, pesado e recolocado na estufa por mais 2h e pesado novamente. O processo repetido
at que o peso final tenha variao menor que 0,2%. O clculo da porcentagem de umidade na
amostra dada pela equao 3.2:
= 100 (3.2)
Onde:
= massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g.
= massa da placa de petri, g,
Figura 3.4 Estufa do LaCBio Marca
Odontobrs Mod. EL 1.4
Figura 3.5 Dessecador do Laboratrio LACBio
26
3.1.2.2 Teor de Volteis %:
Este procedimento usado para determinar a porcentagem de produtos volteis gasosos
provenientes da pirlise da biomassa em ambiente controlado, com exceo da umidade.
Primeiro pesa-se o cadinho com a tampa e o valor anotado. A balana ento zerada e
coloca-se aproximadamente 1g da amostra seca no cadinho que em seguida tampado e
pesado novamente. Este valor anotado tambm. O cadinho tampado com a amostra
colocado dentro de uma mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100 (Figura 3.6) a uma
temperatura de 950 20C por exatamente 7 min. Aps este tempo o cadinho retirado e
colocado dentro do dessecador para resfriar. Quando sua temperatura est equilibrada com a
do ambiente ele pesado novamente e o valor anotado. O clculo da porcentagem de perda
de massa na amostra dada pela equao 3.3:
= 100 (3.3)
Onde:
= massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g. = massa do cadinho com tampa, g,
Figura 3.6 Mufla, marca Carbolite, mod. AAF 1100
27
3.1.2.3 Teor de cinzas %:
O teor de cinzas a medida do contedo mineral e outras matrias inorgnicas contidas
na biomassa. A amostra a ser analisada dever estar seca 105C e armazenadas em um
dessecador at a sua utilizao de acordo com a norma E 1757. Este mtodo inclui a
determinao das cinzas, expressa em percentagem da massa seca do resduo remanescente
aps oxidao em 575 25C por 3 h.
O cadinho colocado no forno mufla j apresentado acima na Figura 3.6 575 25C
durante 3 h. Em seguida retirado e colocado no dessecador at estabilizar a temperatura e,
em seguida, pesa-se o cadinho e a sua massa anotada. Pesa-se aproximadamente 0,5 a 1,0 g,
de uma amostra no cadinho. Anota-se a massa (cadinho mais massa da amostra) como sendo a
massa inicial. O recipiente com contedo deve ser colocado no forno mufla a 575 25C
durante um mnimo de 3 horas, ou at que todo o carbono seja eliminado. Tomando cuidado
para evitar perda de amostra, retira-se cadinho com o seu contedo para um dessecador at o
equilbrio com a temperatura ambiente. A massa ento pesada e anotada. O aquecimento
repetido por perodos de uma hora at que a massa aps o resfriamento seja constante. A
massa final das cinzas anotada como sendo, o recipiente mais cinzas. O clculo da
porcentagem de cinzas na amostra dada pela equao 3.4.
= 100 (3.4)
Onde:
= porcentagem de cinzas, em relao massa uma amostra seca a 105C, = massa inicial do conjunto, g, e = massa final do conjunto, g. = massa do cadinho, g,
3.1.2.4 Teor de carbono fixo %:
O teor de carbono fixo obtido por diferena entre a totalidade (100%) e a porcentagem
de volteis e cinzas, conforme a equao 3.5.
28
= 100 + (3.5)
Onde:
= porcentagem de carbono fixo na amostra, = porcentagem de volteis, = porcentagem de cinzas.
3.1.3 Anlise Elementar % mssica C, H, N, S e O
A anlise elementar foi realizada por um analisador elementar modelo 2400 Series II
CHNS/O da Perkin Elmer conforme a Figura 3.7, localizado no Laboratrio de
Caracterizao de Biomassa da Faculdade de Engenharia Mecnica em triplicata. A anlise
feita com 1,5 3mg de a amostra pesada em uma balana analtica de 6 casas decimais, marca
Perkin Elmer, mod. AD-6, de acordo com a Figura 3.8. Os resultados apresentados so a
mdia simples. Todo o processo apresentado de forma simplificada na Figura 3.9. Neste
trabalho alm do oxignio, foi utilizado hlio como gs de arraste
Figura 3.7 Foto do Analisador Elementar
marca Perkin Elmer mod. 2400 Serie II
Figura 3.8 Balana analtica mod.: AD-6,
ambos da Perkin Elmer.
29
A amostra oxidada a 975C em um tubo de quartzo na presena de oxignio um pouco
acima da razo estequiomtrica. A oxidao completa otimizada por um catalisador que
composto de xido de tungstnio e xido de zircnio (EA6000). O fluxo de gs que deixa a
rea de combusto inclui o dixido de carbono, gua, xidos de nitrognio e um excesso de
oxignio. A mistura de gases resultantes da combusto flui atravs de um tubo de quartzo
onde esto embalados os grnulos de cobre que retm o excesso de oxignio. O xido de
azoto (NO2) reduzido para nitrognio gasoso (N2) e os xidos de enxofre (SOx) so
reduzidos para dixido de enxofre (SO2). A mistura de gases levada pelo hlio sob presso
para um reator de mistura e na seqncia transferido para um sistema de cromatografia de fase
gasosa. Os elementos N, C, H e S que esto no estado de gs, N2, CO2, H2O e SO2, so
separados por uma coluna de GC empacotada associada a um detector de condutividade
trmica. Oxignio da amostra medido separadamente trocando a coluna por outra com
outras quantidades de reagentes ou poder ser obtida por diferena.
Figura 3.9 Esquema simplificado do funcionamento do analisador elementar 2400 da Perkin Elmer.
3.1.4 Poder Calorfico Superior PCS (kJ/kg)
O PCS a quantidade total de energia disponvel em um combustvel, sonde a soma da
energia libertada na forma de calor mais a energia gasta na vaporizao da gua que se forma
na reao de oxidao. A determinao do PCS foi realizada em triplicata seguindo o que
determina a norma E711-87 (Standard Test Method for Gross Calorific Value of Refuse-
30
Derived Fuel by the Bomb Calorimeter) da ASTM. Foi utilizada uma bomba calorimtrica
Modelo C2000 Control, da empresa Ika Werke como apresentado na Figura 3.10. No manual do
equipamento o erro mdio
31
3.1.6 Anlise Termogravimtrica Fator de Frequencia (s-1) e Energia de ativao (kJ/mol).
Os experimentos termogravimtricos foram realizados em duas etapas a primeira no
Laboratrio de Produtos Florestais do Servio Florestal Brasileiro em Braslia DF, com uma
termobalana modelo SETSYS 12 da marca SETARAM (Figura 3.11), a segunda etapa foi
realizada foi realizada no sub-laboratrio de anlises trmicas da Faculdade de Geocincias da
UFPA em uma balana de marca Thermal Science mod. PL-STA (Figura 3.12).
As termobalanas so instrumentos que permitem a pesagem contnua de uma amostra em
funo da temperatura. Aps a pesagem inicial da amostra a ser analisada, a anlise
termogravimtrica realizada colocando essa amostra dentro de um forno e definindo a taxa
de aquecimento em K/min que deve ser aplicada. A medio realizada em uma atmosfera
definida, sendo em condies inertes (Nitrognio, Hlio ou Argnio) ou em um ambiente
oxidativo (ar ou oxignio) com vazes baixas para que no haja interferncia na leitura do
equipamento (Ionashiro, 2005). Neste trabalho foi utilizado o nitrognio como gs de arraste
tanto no laboratrio do Servio Florestal Brasileiro quanto no laboratrio da Faculdade de
Geocincias da UFPA.
Figura 3.11 Balana SETSYS 12 da marca SETARAM localizada no LPF em Braslia-DF.
32
Figura 3.12 Balana da marca Thermal Science, mod. PL-STA localizada no Lab. De Anlises Trmicas
da UFPA.
A balana termogravimtrica gera dois tipos de grfico que permite tirar concluses
sobre a estabilidade trmica da amostra, sobre a composio e estabilidade dos compostos
volteis (celulose, hemicelulose e lignuna), obtendo informaes sobre a temperatura de
degradao e sobre a quantidade de produtos e\ou resduos (cinzas) ao fim da reao. O
primeiro caracteriza a perda de massa em funo da temperatura (TG) mostrada no alto da
Figura 3.13. O segundo a primeira derivada da curva de perda de massa tambm em funo
da temperatura (DTG), apresentado na parte baixa da Figura 3.13, onde os picos de
temperatura identificam cada etapa de reao com inicio, fim e o momento em que a
velocidade mxima.
Figura 3.13 Curva de TG e DTG do Acido Acetilsaliclico com aquecimento de 10C/min. Fonte
(Ionashiro, 2005).
33
3.1.6.1 Formulao matemtica utilizada na anlise termogravimtrica.
O procedimento matemtico utilizado para a anlise dos dados termogravimtricos que
iro determinar os parmetros cinticos baseia-se inicialmente no mtodo integral utilizado
por Seye O (2008) e j citado por vrios autores dentre eles Bilbao, R. (1987, I e II) e (1989). A
velocidade de reao ou taxa de converso
correspondente decomposio trmica do
solido descrita como o produto entre duas funes uma dependente da temperatura, e,
outra, dependente da converso, (Riegel, 2008), equao 3.7.
= (3.7)
Onde a frao pirolisada, em cada instante de tempo, para diferentes temperaturas e
definida como:
=
(3.8)
Onde:
a massa inicial da amostra (mg); a massa da amostra num tempo t qualquer (mg); a massa final da amostra (mg).
De acordo com a relao de Arrhenius, o termo dependente da temperatura, ,
dado pela expresso 3.9.
= (3.9)
Onde:
o fator de frequncia pr-exponencial; a energia de ativao e; a constante universal dos gases.
Substituindo 3.9 em 3.7, temos:
=
(3.10)
Rearranjando os termos, temos a equao da variao do grau de transformao de um
slido em funo da temperatura.
34
=
(3.11)
Devido a complexidade da reao de pirlise, a funo ser assumida como uma
reao que obedece uma cintica de 1 ordem para o tratamento dos dados isotrmicos,
ficando a funo na forma abaixo:
= 1 (3.12)
Ficando ento a equao:
1 =
(3.13)
Aplicando-se ento o logartmo neperiano nos dois lados da equao tem-se:
1 =
(3.14)
Utilizando os valores experimentais de e d/dt, o grfico em funo de 1/T d uma
reta cuja inclinao igual e o ponto onde a reta toca a ordenada igual ln(A).
35
CAPITULO 4: RESULTADOS OBTIDOS
Neste capitulo, so apresentados os resultados da determinao da anlise imediata
(umidade, volteis, carbono fixo e cinzas), anlise elementar (carbono, hidrognio, nitrognio,
enxofre e oxignio), poder calorfico superior, poder calorfico inferior, e anlise
termogravimtrica das biomassas escolhidas.
4.1 Anlise Imediata:
Com relao aos resultados obtidos com a anlise imediata, a umidade e as cinzas
contribuem para a diminuio do valor do PCS enquanto os valores de volteis e carbono fixo
contribuem para o aumento do PCS. Os resultados desta anlise imediata so apresentados
abaixo na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 Resultados da Anlise Imediata das amostras analisadas.
UMID. C. FIXO VOL CZ
MA
DE
IRA
S
MOGNO 11,29 17,02 82,55 0,44
ANDIROBA 9,11 15,92 83,42 0,66
TIMBORANA 13,55 49,651 502 0,36
IP 8,95 8,442 91,341 0,21
JATOB 9,40 20,57 79,06 0,37
TATAJUBA 7,88 18,83 80,65 0,52
ANG. VERM 8,27 14,86 82,90 2,24
ANG. PEDRA 10,01 16,53 82,94 0,53
MARUP 9,41 12,38 87,42 0,20
LOURO 9,23 19,69 79,81 0,50
CEDRO 9,46 14,72 84,75 0,53
CA
SC
AS
E
CA
RO
O
S AAI 9,32 19,91 78,88 1,21
CAST. DO PAR 14,481 13,55 66,68 19,771
TUCUM 6,082 17,02 78,56 4,42
DEND 10,99 19,55 77,92 2,53
CASC DE COCO 10,53 20,41 79,45 0,142
BA
MB
US
BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 11,91 18,47 80,13 1,39
BAMUSA VULGARIS VITTATA 11,39 16,97 81,64 1,39
GUADUA SACOCARPA 7,74 17,96 78,63 3,41
DENDROCALAMUS GIGANTEUS 10,34 19,09 79,73 1,18
1 valores mximos. 2 valores mnimos.
36
A Figura 4.1 abaixo, apresenta os resultados comparativos de todas as biomassas, dentre
os valores que contribuem para o aumento do PCS o maior resultado de carbono fixo foi
encontrado na espcie Timborana com 49,65% e o menor resultado foi na espcie Ip com
8,44%, indicando que a Timborana poder ter melhor aproveitamento na produo de carvo
vegetal. Com relao aos volteis, o Ip apresentou o melhor resultado com 91,34%, e o
menor valor encontrado foi na espcie Timborana com 50,00%, indicando que o Ip ser
melhor aproveitado na produo de energia na combusto.
Com relao aos teores de umidade e cinzas, que influenciam na diminuio da energia
disponvel da biomassa. A umidade por absorver calor que estaria disponvel e causando
corroso nas tubulaes. As cinzas comprometem os equipamentos com incrustaes, tambm
absorvem calor e facilitam a corroso proveniente da umidade.
A biomassa que detm o maior teor de umidade a castanha-do-par com 14,48% (este
valor deve-se provavelmente ao processamento de extrao da amndoa), e o menor teor foi
encontrado no Tucum com 6,08%. Quanto ao teor de cinzas encontrado nas biomassas, a
castanha do Par obteve o maior percentual com 19,77%, o que pode ser devido ao mtodo de
coleta e transporte da castanha, o menor percentual de cinzas foi encontrado na casca de cco
com 0,14%, este valor deve-se ao fato da casca dura analisada ficar protegida pela parte
fibrosa.
Figura 4.1 Grfico comparativo das mostras com o somatrio dos resultados de carbono fixo, volteis, cinzas e umidade.
37
Os resultados das amostras quando so analisados por tipo so apresentados abaixo na
Figura 4.2, as espcies de madeiras Ip e Timborana so as que apresentam os maiores e
menores teores de carbono fixo e volteis como informado no pargrafo acima. Com relao
ao resultado de umidade o maior valor obtido foi na amostra de Timborana com 13,55% e o
menor valor foi encontrado na amostra de Tatajuba com 7,88%, quanto aos resultados obtidos
de cinzas o maior valor encontrado foi 2,24% na amostra de Angelim Vermelho e o menor
valor foi 0,20% encontrado nas espcies Marup e Muiracatiara.
Nas amostras dos tipos cascas e caroos o maior teor de carbono fixo foi de 20,41% e
79,45% de volteis foram encontrados nas amostras de casca de cco, e os menores valores
foram 13,55% e 66,68% de carbono fixo e volteis respectivamente encontrados na amostra
de castanha-do-par. Com relao umidade o maior valor determinado foi 14,48% na
amostra de castanha-do-par e o menor foi 6,08% na espcie Tucum.
Com relao aos resultados das espcies de bambu o maior teor de carbono fixo
19,09% foi encontrado na espcie Dendrocalamus Giganteus, e o menor foi 16,97%
encontrado na espcie Vulgaris Vittata. Com relao ao teor de volteis o maior valor foi
81,64% e o menor foi 78,63% nas especies Vulgaris Vulgaris e Guadua Sacocarpa
respectivamente. Na determinao de umidade 11,91% na espcie Vulgaris Vulgaris e 7,74%
na espcie Guadua Sacocarpa so o maior e menor valores encontrados respectivamente. Na
determinao de cinzas, 3,41% na espcie Guadua Sacocarpa, e 1,18% na espcie
Dendrocalamus Giganteus so o maior e o menor valores encontrados respectivamente.
Figura 4.2 Anlise Imediata com destaque para cada tipo de amostra.
38
Os valores mdios de umidade, carbono fixo, volteis e cinzas so respectivamente:
10,09%, 17,96%, 80,06% e 1,98%. Em relao aos valores mdios, a variao encontrada nos
resultados de umidade foi de 43% para mais e 40% para menos, para o carbono fixo a
variao foi de 176% para mais e 54% para menos. Em relao aos volteis 14% para mais e
38% para menos. Com relao ao teor de cinzas a variao encontrada foi de 897% para mais
e 97% para menos. Estes resultados tm uma variao muito alta devido aos valores que se
desviam da media das amostras.
4.2 Anlise elementar:
Os resultados obtidos atravs do analisador elementar so utilizados para montar a
frmula molecular, bem como calcular o PCI das amostras, os resultados encontrados so
apresentados abaixo na Tabela 4.2. Dentre todas as biomassas o maior valor de carbono foi
encontrado na espcie Ip com 52,23%, e o menor valor foi 44,95% no bambu Guadua
Sacocarpa. Para o hidrognio o maior valor foi 6,50% no Tucum e o menor foi 5,23% na
casca de castanha-do-par, em relao ao nitrognio, 6,00% foi o maior valor e 0,92% o
menor valor, encontrados nas espcies Dend e bambu Vulgaris Vulgaris, respectivamente. O
enxofre ficou no limite de deteco do aparelho com mximo encontrado de 0,96% no Dend
e mnimo de 0,00% na Casca de Coco. Os valores de oxignio foram obtidos por diferena,
ficando 44,73% para o bambu Vulgaris Vulgaris como maior valor e 35,52% no Ip como
menor valor.
39
Tabela 4.2 Resultados da anlise elementar das amostras analisadas, com C, H, N, S e O*.
% C % H % N % S % O*
MA
DE
IRA
S
MOGNO 50,06 6,19 4,04 0,85 38,87
ANDIROBA 48,93 6,11 5,03 0,52 39,41
TIMBORANA 49,52 6,30 5,49 0,75 37,94
IP 52,231 6,08 5,47 0,69 35,522
JATOB 50,17 5,77 4,97 0,67 38,42
TATAJUBA 49,50 6,06 3,34 0,79 40,31
ANG. VERM 48,44 6,22 4,48 0,90 39,96
ANG. PEDRA 49,15 6,26 3,88 0,86 39,85
MARUP 48,53 6,28 4,13 0,73 40,33
LOURO 48,43 6,13 4,24 0,79 40,42
CEDRO 50,10 6,34 3,73 0,82 39,01
CA
SC
AS
E
CA
RO
O
S
AAI 46,17 6,01 4,33 0,13 43,37
CAST. DO PAR 49,93 5,232 4,98 0,78 39,08
TUCUM 51,35 6,501 5,18 0,11 36,86
DEND 49,56 5,96 6,001 0,961 37,53
CASC DE COCO 51,22 5,71 5,05 0,002 38,17
BA
MB
US
BAMBUSA VULGARIS
VULGARIS 47,61 5,97 0,922 0,77 44,731
BAMUSA VULGARIS
VITTATA 47,48 6,14 3,53 0,82 42,03
GUADUA SACOCARPA 44,952 5,90 3,90 0,77 44,47
DENDROCALAMUS
GIGANTEUS 47,82 6,15 3,71 0,83 41,49
1 valores mximos. 2 valores mnimos.
A Figura 4.3, na seqncia, apresenta o somatrio comparativo entre todas as
biomassas, e na seqncia deste captulo sero apresentados os resultados por tipo.
Figura 4.3 Somatrio da anlise elementar entre todas as amostras.
40
Na Figura 4.4 abaixo, os resultados so apresentados com destaque para os tipos de
amostras. Para as madeiras, o maior teor de carbono 52,23% e menor teor de oxignio
35,52%, foram encontrados na espcie Ip. Ao contrrio, o menor teor de carbono 48,43% e
maior teor de oxignio 40,42% foram encontrados na amostra de Louro. A espcie Cedro
apresentou o maior teor de hidrognio, com 6,34% e o Jatob o menor com 5,77%. A amostra
de Timborana apresentou o maior teor de nitrognio, 5,49%. A amostra de Tatajuba com
3,34% foi o menor valor encontrado.
Nas amostras do tipo cascas e caroos, a espcie Tucum apresentou os maiores teores
de carbono e hidrognio e menor teor de oxignio com 51,35%, 6,50% e 36,86%
respectivamente. Na espcie dend foi encontrado o maior teor de nitrognio 6,00%. No Aa
foram encontrados os menores teores de carbono 46,17%, nitrognio 4,33% e o maior teor de
oxignio 43,73%. A castanha-do-par apresentou o menor teor de hidrognio 5,23%.
Com relao aos resultados das espcies de bambu o Dendrocalamus Giganteus
apresentou os maiores teores de carbono 47,82% e hidrognio 6,15% bem como o menor teor
de oxignio 41,49%. Na espcie Guadua Sacocarpa foram encontrados os menores teores de
carbono 44,95% e hidrognio com 5,90% e o maior teor de nitrognio 3,90%. Na espcie
Vulgaris Vulgaris foi encontrado o maior teor de oxignio com 44,73% e o menor valor de
nitrognio 0,92%.
Figura 4.4 Comparativo da anlise elementar por espcie.
Os valores mdios de carbono, hidrognio, nitrognio e oxignio so respectivamente:
49,25%, 6,12%, 4,37%, e 39,55%. Em relao aos valores mdios, a variao encontrada nos
41
resultados de carbono foi de 9,00% para mais ou para menos, para o hidrognio a variao foi
de 15% para mais ou para menos, em relao ao nitrognio 37% para mais e 80% para menos;
com relao ao teor de enxofre a variao encontrada foi de 41% para mais e 75% para
menos, para o oxignio, a variao encontrada foi de 41% para mais e 99% para menos. Estes
resultados tm uma variao muito alta devido aos valores que se desviam da media das
amostras.
4.3 PCS:
O valor de PCS obtido atravs da bomba calorimtrica e o resultado do clculo do PCI
atravs da equao 3.6 so apresentados abaixo na
Tabela 4.3. Dentre todas as biomassas o maior valor de PCS encontrado foi no Tucum
com 22,22 MJ/kg, bem como o maior valor de PCI com 20,72 MJ/kg; o menor valor de PCS
encontrado foi do Bambu Vulgaris Vittata com 18,78 MJ/kg, quanto ao PCI o menor valor
encontrado entre as amostras foi de 15,16 MJ/kg na amostra de Bambu Vulgaris Vulgaris.
Esta diferena no valor entre o PCS e o PCI das espcies de bambu, deve-se ao fato delas
terem diferentes teores de umidade, e hidrognio em suas composies.
Separando os resultados das amostras por tipo, as madeiras das espcies Ip e Marup
so as que apresentam o maior e menor valor de PCS com 20,64 MJ/kg e 19,68 MJ/kg
respectivamente. Com relao aos valores de PCI, 17,36 MJ/kg foi encontrado na amostra de
Ip e 15,72 MJ/kg na amostra de Timborana.
Dentre as amostras dos tipos cascas e caroos, o maior valor de PCS foi encontrado no
caroo de Tucum com 22,22 MJ/kg, sendo tambm no Tucum encontrado o maior valor de
PCI com 20,72 MJ/kg, o caroo de Aa apresentou o menor valor de PCS com 19,26 MJ/kg,
o menor valor de PCI foi encontrado nas cascas da castanha-do-par com 17,18 MJ/kg.
Nas espcies de bambu os maiores valores de PCS e PCI encontrados foram 19,59
MJ/kg e 16,10 MJ/kg respectivamente na espcie Dendrocalamus Giganteus, o menor valor
de PCS foi determinado na espcie Vulgaris Vittata com 18,78 MJ/kg, o menor valor de PCI
foi encontrado na espcie Vulgaris Vulgaris com 15,16 MJ/kg.
42
Tabela 4.3 Resultados de PCS (kJ/kg) e PCI (kJ/kg) das amostras analisadas, em base seca. Espcie PCS (MJ/kg) PCI (MJ/kg)
MA
DE
IRA
S
MOGNO 20,29 16,51
ANDIROBA 19,78 16,53
TIMBORANA 19,96 15,72
IP 20,64 17,35
JATOB 20,35 17,05
TATAJUBA 20,14 17,13
ANGELIM VERMELHO 20,13 17,00
ANGELIM PEDRA 20,04 16,55
MARUP 19,68 16,35
LOURO 20,12 16,81
CEDRO 19,98 16,59
CA
SC
AS
E
CA
RO
O
S
AAI 19,26 17,23
CAST. DO PAR 20,51 17,18
TUCUM 22,221 20,721
DEND 21,25 18,65
CASC DE COCO 20,86 18,40
BA
MB
US
BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 18,85 15,162
BAMBUSA VULGARIS VITTATA 18,782 15,17
GUADUA SACOCARPA 18,83 15,99
DENDROCALAMUS GIGANTEUS 19,59 16,10
1 valores mximos. 2 valores mnimos.
O valor mdio de PCS encontrado foi de 20,06 MJ/kg com a variao mxima de 11% e
o PCI obteve media de 16,62 MJ/kg com variao mxima de 22%, na Figura 4.5 pode-se
observar o comportamento entre os valores de PCS e PCI das amostras.
Figura 4.5 Grfico comparativo entre PCS e PCI das mostras .
43
4.4 Anlise Termogravimtrica
Este tipo de anlise ocorreu em dois tipos em atmosfera, inerte no Laboratrio de
Produtos Florestais em Braslia e atmosfera oxidativa no Laboratrio de Geocincias da
Universidade Federal do Par. Os resultados obtidos so apresentados na Tabela 4.4, e esto
divididos de acordo com os laboratrios onde foram feitas as anlises e por etapa de
converso para um melhor entendimento destes resultados.
Tabela 4.4 Resultados da anlise termogravimtrica das amostras analisadas na UFPA e no LPF.
GeoCiencias UFPA LPF - DF
Ea (kJ/kmol) A (s-1) Ea (kJ/kmol) A (s-1) Ea (kJ/kmol) A (s-1)
160-380C* 380-780C** 200-400C
MA
DE
IRA
S
MOGNO 2,66E+04 81,72 - - 5,08E+04 86,29
ANDIROBA 2,50E+05 86,58 3,42E+01 54,96 2,08E+03 71,02
TIMBORANA 4,03E+03 66,73 3,76E+00 43,39 1,77E+05 90,21
IP 6,32E+03 68,54 7,98E+00 47,87 1,48E+04 80,66
JATOB 1,51E+05 81,70 1,13E+12 185,41 5,28E+02 64,67
TATAJUBA 1,68E+04 72,93 2,16E+01 52,77 - -
ANG. VERM 2,27E+05 87,00 4,69E+02 74,24 - -
ANG. PEDRA 6,45E+03 68,02 6,75E+01 57,53 - -
MARUP 2,23E+05 84,91 1,42E+02 62,18 - -
LOURO 4,64E+04 77,37 3,46E+02 64,55 - -
CEDRO 1,49E+05 83,72 2,78E+02 67,58 - -
CA
SC
AS
E C
AR
O
OS
AAI 9,11E+05 85,97 5,65E+00 39,96 7,39E+05 93,32
CAST. DO PAR 2,82E+03 61,26 3,45E+01 7,34 6,64E+01 53,41
TUCUM 1,54E+06 86,05 3,78E+00 37,92 - -
DEND 2,24E+05 80,16 3,35E+01 9,07 - -
CASC DE COCO 9,11E+05 85,97 7,99E+01 52,89 1,22E+03 68,79
BA
MB
US
BAMBUSA VULGARIS VULGARIS 1,11E+05 77,33 2,70E+04 84,18 - -
BAMUSA VULGARIS VITTATA 2,69E+03 60,55 4,71E+04 88,10 - -
GUADUA SACOCARPA 2,38E+03 58,57 9,13E+01 53,58
DENDROCALAMUS GIGANTEUS 6,42E+03 64,04 8,65E+04 93,87
* - Pirlise da biomassa; ** - Converso do carbono
As anlises obtidas no Laboratrio de Produtos Florestais em Braslia-DF foram
realizadas em atmosfera de nitrognio com taxas de aquecimento de 10C\min para todas as
amostras. A converso de biomassa nestas condies ocorre em duas etapas, secagem e
pirlise, como pode-se observar na Figura 4.6 abaixo.
44
A partir do inicio do experimento, h uma perda de massa entre 3% e 7% assim que a
temperatura atinge 100C at 150C que a perda de gua intrnseca da biomassa. Ento a
biomassa absorve calor at atingir a temperatura critica de pirlise, que para o aa inicia-se a
partir de 200C e para o Tauari em torno de 250C. O processo de converso piroltica termina
em torno de 400C e o que resta no cadinho so carvo e cinzas variando em massa entre 35%
para a castanha-do-par e 22% para a Maaranduba.
Figura 4.6 Demonstrativo da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas analisadas
no LPF-DF em ambiente inerte (nitrognio).
Na anlise da velocidade de converso das amostras analisadas, pode-se observar nas
curvas obtidas em atmosfera de nitrognio, que o processo de volatilizao inicia-se em torno
de 200C, e a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de temperatura de 245 a 320C
para o aa e entre 300 a 380C para o restante das amostras, conforme a Figura 4.7.
Figura 4.7 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das biomassas
analisadas no LPF-DF apresentando os picos de converso.
45
Em relao aos resultados obtidos no Laboratrio de Anlises Trmicas da Faculdade de
Geocincias da UFPA em Belm-Pa, as anlises foram realizadas em atmosfera de oxignio.
Foi escolhida uma amostra de cada espcie e realizada a anlise em trs taxas de aquecimento
diferente, 5, 10 e 40C\min para a escolha daquela que apresente a melhor relao.
A taxa de aquecimento escolhida para cada tipo de amostra foi, 5C\min para os bambus
bem como para as cascas e sementes e 10C\min para as madeiras. Estas escolhas foram feitas
com base nos resultados grficos que apresentaram melhores informaes de converso de
uma amostra de cada tipo. Abaixo as Figura 4.8, Figura 4.9 e Figura 4.10 apresentam esta
comparao.
Figura 4.8 TGA e DTG do Dendrocalamus Giganteus 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da
Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo.
46
Figura 4.9 TGA e DTG do Aa 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da Faculdade de
Geocincias, em ambiente oxidativo.
Figura 4.10 TGA e DTG da espcie Muiracatiara 5, 10 e 40C\min. no Lab. de anlise trmica da
Faculdade de Geocincias, em ambiente oxidativo.
A perda de massa das amostras ocorreu em trs etapas, secagem, pirlise e converso do
carvo, como se pode observar na Figura 4.11 abaixo. No inicio do experimento, h uma
perda de massa de 3% e 5%, at o momento que a temperatura atinge 100C. Esta diferena
d-se pela perda de gua intrnseca da biomassa. Ento a biomassa absorve calor at atingir a
temperatura critica de pirlise a partir de 210C at 380C. Esta segunda etapa refere-se a
converso dos volteis existentes na biomassa. A terceira etapa do processo de converso
47
refere-se a converso do carvo iniciando em 320C e terminando em 760C sendo consumida
toda a amostra restando no cadinho apenas cinzas.
Figura 4.11 Curva de perda de massa obtida na anlise termogravimtrica no Lab. de anlise trmica da
Faculdade de Geocincias.
Devido quantidade de amostras, os grficos que apresentam a relao da velocidade de
converso com o incremento da temperatura foram divididos por espcie. Os resultados
grficos foram obtidos atravs da primeira derivada da perda de massa das amostras
analisadas. Pode-se observar que para todas as espcies, as curvas obtidas apresentam dois
picos de maior intensidade, onde o primeiro pico representa o processo de volatilizao e o
segundo pico representa a converso do carbono, restando cinzas ao final do processo.
Para as espcies de bambu analisadas, o processo de volatilizao inicia-se em torno de
200C, e a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de temperatura de 290 a 310C. O
processo de converso do carbono tem incio a partir de 370C e com mxima taxa de
converso do carbono entre 440 e 470C, Figura 4.12.
48
Figura 4.12 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das amostras de
bambus analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.
Para as espcies de madeiras analisadas, a primeira etapa de volatilizao fica situada na
faixa de temperatura entre 200 e 390C, a mxima taxa de perda de massa ocorre na faixa de
temperatura de 300 a 350C. O processo de converso do carvo situa-se entre 400 e 700C
com mxima taxa de converso do carbono entre 500 e 550C, Figura 4.13. O destaque entre
as espcies de madeira o Jatob que apresenta um grande pico com mxima taxa de
converso em torno de 460C.
Para as espcies de cascas e sementes analisadas, o processo de volatilizao inicia-se
em torno de 200C e termina entorno de 340C. A faixa de temperatura onde ocorre a mxima
taxa de converso est situada entre 260 e 300C. O processo de converso do carbono tem
inicio a partir de 380C com final em 600C, com mxima taxa de converso do carbono entre
480 e 500C, Figura 4.14.
49
Figura 4.13 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das amostras de
madeiras analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.
Figura 4.14 Primeira derivada da perda de massa com o aumento da temperatura das amostras de
sementes analisados no Lab. de anlises trmicas da faculdade de geocincias.
50
CAPITULO 5: CALCULO DO PCS EM FUNO DOS RESULTADOS
Neste captulo ser apresentada uma metodologia para obteno do valor de PCS em
funo dos resultados das anlises imediata e elementar.
Aps a biomassa ser caracterizada em termos de composio molecular, o clculo para a
determinao do PCS pode ser realizado de duas maneiras: a primeira atravs do balano
energtico da reao de combusto e a segunda forma atravs da regresso linear dos dados.
5.1 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar e o conceito de calor de reao.
Fazendo o balano de tomos de uma biomassa hipottica para a reao de combusto
estequiomtrica.
+ 2 + 3,762 2 +
220 + 3,76 2 +
O calor de reao definido como a energia liberada numa reao de combusto
quando reagentes e produtos esto na mesma temperatura. Quando a Primeira Lei da
Termodinmica aplicada sob a forma de equao de fluxo constante de energia, o calor de
reao igual a diferena entre as entalpias dos produtos e reagentes ,
(MAHALLAWY, F. E.; HABIK, S. E.; 2002.), equao 5.1.
(5.1)
Onde a entalpia dos produtos, e a entalpia dos reagentes.
Sendo:
= , e
= .
51
Onde so o nmero de mols dos produtos e dos reagentes respectivamente. Da
mesma forma e so a entalpia especifica molar dos produtos e dos reagentes
respectivamente. A entalpia especifica molar dada pela soma entre a entalpia de formao e
a entalpia sensvel, onde:
= , + ,, e
= , + ,
Sendo a temperatura dos produtos e dos reagentes iguais, a entalpia sensvel de ambos
zero. Ento, substituindo os termos de entalpia acima citados na equao 5.1, obtm-se a
equao 5.2 em base molar:
= , ,
(5.2)
Explicitando a equao (5.2 em termos de suas fraes molares, obtm-se a equao
5.3.
= . ,2 +
2 ,2
+ , 1. ,
(5.3)
A anlise elementar fornece os resultados em termos de percentagem de frao mssica.
Ento possvel relacionar a quantidade de tomos dos produtos com o resultado da anlise
elementar pelas seguintes correlaes:
= (5.4)
= (5.5)
= (5.6)
O PCS tambm pode ser calculado dividindo o calor de reao com valor negativo pela
massa do combustvel, equao 5.7.
= (5.7)
Substituindo as equaes 5.3 e 5.6 na equao 5.7 e rearranjando, obtm-se:
= ,
,2
. +
,2
2. +
,
. .
1
(5.8)
52
Admitindo-se que a massa do combustvel 1kg e que os termos , ,
, 2
, ,2
2 e
,
so constantes e sero substitudos por A, B, C e D respectivamente, desta forma obtm-
se a equao 5.9:
= + + (5.9)
Com o rearrananjo a equao 5.9 possvel que se obtenha o valor de A para cada
espcie.
= + + + (5.10)
Os valores da entalpia de formao dos produtos so tabelados, bem como a massa
molar dos elementos, Tabela 5.1. O termo para cada espcie constante e com valor
conhecido.
Tabela 5.1 valores de entalpia de formao e massa molar dos elementos, 298K.
Termo Valor Unidade
,2 -393546
kJ/kmol ,2 -241845
, 90297
12 kg/kmol 1
14 Fonte: Turns (2000).
Onde:
= , 2
= -32795,5 kJ/kg = -32,80 MJ/kg
= ,2
2 = -120923 kJ/kg = -120,92 MJ/kg
= ,
= 6449,8 kJ/kg = 6,45 MJ/kg
Na equao 5.10, o PCS obtido da bomba calorimtrica, , e da anlise
elementar. A constante A a entalpia de formao definida de cada combustvel, para ser
utilizada no equacionamento, precisa ser definida um valor para todas as espcies. Isto feito
calculando o valor mdio de A para as espcies estudadas.
Substituindo o valor mdio de A e os valores de B, C e D determinados acima por serem
constantes, na equao 5.9 obtm-se a equao 5.11 a seguir.
53
= 3,07 32,80 120,92 + 6,45 (5.11)
Na seqncia, a Tabela 5.2 apresenta os dados que relacionam os valores de PCS
medidos com os valores calculados para a equao 5.11. O erro mdio absoluto foi de 2,51%
e o desvio padro de +/- 0,625 MJ/kg. A Figura 5.1, na seqncia, apresenta a disperso entre
os valores de PCS medidos e calculados. A linha pontilhada representa o limite de +/- 5%.
54
Tabela 5.2 Valores calculados para determinao de A da equao 5.11 e do PCS considerando os teores de C e H.
ESPCIES PCS
(MJ/kg) C H N A (C, H, N)
PCS
CALCULADO1
ERRO
ABSOLUTO
AAI 19,26 0,46 0,06 0,04 -2,85 19,05 1,10
CAST. DO PAR 20,51 0,50 0,05 0,05 -1,86 19,30 5,89
TUCUM 22,22 0,51 0,07 0,05 -2,14 21,29 4,17
DEND 21,25 0,50 0,06 0,06 -1,81 20,00 5,88
CASC DE COCO 20,86 0,51 0,06 0,05 -2,51 20,30 2,67
MOGNO 20,29 0,50 0,06 0,04 -3,33 20,56 1,31
ANDIROBA 19,78 0,49 0,06 0,05 -3,32 20,03 1,29
TIMBORANA 19,96 0,50 0,06 0,05 -3,54 20,43 2,38
IP 20,64 0,52 0,06 0,05 -3,48 21,05 1,99
JATOB 20,35 0,50 0,06 0,05 -2,74 20,03 1,58
TATAJUBA 20,14 0,50 0,06 0,03 -3,20 20,27 0,65
ANG. VERM 20,13 0,48 0,06 0,04 -2,99 20,05 0,38
ANG. PEDRA 20,04 0,49 0,06 0,04 -3,38 20,36 1,58
MARUP 19,68 0,49 0,06 0,04 -3,55 20,17 2,47
LOURO 20,12 0,48 0,06 0,04 -2,89 19,94 0,88
CEDRO 19,98 0,50 0,06 0,04 -3,86 20,77 3,96
B. VULGARIS VULGARIS 18,85 0,48 0,06 0,01 -3,92 19,71 4,54
B. VULGARIS VITTATA 18,78 0,47 0,06 0,04 -3,97 19,69 4,82
GUADUA SACOCARPA 18,83 0,45 0,06 0,04 -2,79 18,55 1,49
DENDROCALAMUS
GIGANTEUS 19,59 0,48 0,06 0,04 -3,28 19,81 1,12
MDIAS 20,06 0,49 0,06 0,04 -3,07 20,07 2,51
1 O valor de PCS foi calculado com o valor mdio de A. 2 Desvio Padro = +/- 0,625 MJ/kg
Figura 5.1 Disperso dos resultados da equaes 5.11.
55
5.2 Determinao do PCS utilizando dados da anlise elementar por regresso.
O valor de PCS pode ser calculado com base nos resultados da anlise elementar
utilizando regresso linear. Neste trabalho foi aplicada a ferramenta de anlise de regresso
linear do software MS-Excel 2007 que utiliza o mtodo dos mnimos quadrados para ajustar
uma linha em um conjunto de observaes.
Com base nos resultados apresentados na Tabela 4.2 foram retirados os dados que foram
utilizados para o equacionamento atravs da regresso linear, estes dados so apresentados na
Tabela 5.3 abaixo.
Tabela 5.3 valores de PCS, C e H determinados no LacBio e os valores de PCS calculados atravs da regresso linear.
PCS
(MJ/kg) C H
PCS
(MJ/kg)1
ERRO
ABSOLUTO
AAI 19,26 0,46 0,06 18,90 1,87
CAST. DO PAR 20,51 0,50 0,05 20,26 1,20
TUCUM 22,22 0,51 0,07 20,91 5,88
DEND 21,25 0,50 0,06 20,18 5,03
CASC DE COCO 20,86 0,51 0,06 20,79 0,31
MOGNO 20,29 0,50 0,06 20,39 0,47
ANDIROBA 19,78 0,49 0,06 19,96 0,93
TIMBORANA 19,96 0,50 0,06 20,20 1,22
IP 20,64 0,52 0,06 21,21 2,76
JATOB 20,35 0,50 0,06 20,40 0,24
TATAJUBA 20,14 0,50 0,06 20,17 0,14
ANG. VERM 20,13 0,48 0,06 19,78 1,72
ANG. PEDRA 20,04 0,49 0,06 20,05 0,03
MARUP 19,68 0,49 0,06 19,82 0,69
LOURO 20,12 0,48 0,06 19,77 1,72
CEDRO 19,98 0,50 0,06 20,42 2,20
B. VULGARIS VULGARIS 18,85 0,48 0,06 19,44 3,11
B. VULGARIS VITTATA 18,78 0,47 0,06 19,41 3,33
GUADUA SACOCARPA 18,83 0,45 0,06 18,43 2,12
DENDROCALAMUS
GIGANTEUS 19,59 0,48 0,06 19,54 0,26
MDIAS 20,06 0,49 0,06 20,00 1,76
1 O valor de PCS calculado atravs da regresso com os valores de C e H (eq. 5.12).
2 Desvio Padro = +/- 0,64 MJ/kg
56
Com base nos resultados foi encontrada uma equao, onde o erro mdio absoluto foi de
1,76% e o desvio padro de +/- 0,64 MJ/kg.
= 0,82 + 0,38 + 0,09 (5.12)
A Figura 5.2 abaixo, apresenta a disperso dos resultados comparativos entre os valores
de PCS medidos versus PCS calculados apresentados com base na Tabela 5.3 juntamente com
suas respectivas linhas de tendncias. A linha pontilhada representa o limite de +/- 5%.
Figura 5.2 Disperso dos resultados e regresso da equao5.12.
57
CAPITULO 6: DISCUSSO DOS RESULTADOS.
Com relao aos resultados apresentados no capitulo anterior, as seguintes observaes
podem ser feitas:
1. Os valores de PCS das amostras de resduo vegetal situaram-se na faixa de 18,78
22,00 MJ/kg obtendo mdia de 20,06 MJ/kg. O valor mdio de PCS encontrado est acima do
valor mximo encontrado na referencia para as espcies Dendrocalamus Giganteus e
Softwood (AV.), que foram 19,27 MJ/kg e 20,00MJ/kg, respectivamente.
2. Os valores de PCI das amostras situaram-se entre 14,80 16,74 MJ/kg obtendo mdia
de 16,62 MJ/kg, apresentados anteriormente na
3. Tabela 4.3. O valor mdio de PCI encontra-se prximo do valor Maximo encontrado, o
que indica a viabilidade destas biomassas como alternativa energtica;
4. Em relao ao teor de carbono fixo a espcies Timborana com 49,65%, obteve o maior
resultado encontrado, acima da Softwood que apresentou 28,10%. Indicando que o resduo de
Timborana poder ter melhor aproveitamento na produo de carvo vegetal.
5. Quanto aos volteis o Ip com 91,34% apresentou o maior teor, acima da Hardwood
com 72,30%. Indicando que o resduo de Ip poder ser melhor aproveitado na queima direta.
6. Apesar dos teores elevados de umidade e cinzas apresentados na castanha-do-par com
14,48% e 19,77% respectivamente esta biomassa apresenta um alto valor energtico em
relao as outra apresentadas (PCS = 20,51MJ/kg). O resduo de madeira com 10,40% de
umidade e 4,25% de cinzas est abaixo dos valores encontrados neste trabalho. Os resultados
encontrados para a castanha do Par podem ser devido ao processo de obteno e transporte
das castanhas at o processamento.
7. Nas molculas de biomassa, o maior valor de carbono foi encontrado na espcie Ip
com 52,23%, bem prximo do encontrado na Softwood 52,10%.
8. Para o hidrognio o maior valor foi 6,50% no Tucum, muito semelhante Hardwood
com 6,20%.
9. Na espcie Dend foi encontrado o maior teor de nitrognio, 6,00%, bem acima da
Hardwood com 0,40%.
58
10. O mximo teor de enxofre foi encontrado na espcie Dend, 0,96%, este valor encontra-
se prximo do limite de deteco do aparelho. Nos trabalhos de referencia no foi
determinado resultado de enxofre nas amostras.
11. Com 44,73% o bambu Vulgaris Vulgaris obteve o maior valor de oxignio, na espcie
Hardwood foi encontrado 41,10% de oxignio.
12. As equaes empricas baseadas na primeira lei da termodinmica apresentaram
resultados coerentes, com erro mdio absoluto foi de 2,51% e o desvio padro de +/- 0,625,
para a equao que considera os teores de carbono, hidrognio e nitrognio.
13. A equao que relaciona os resultados de PCS com os resultados de carbono e
hidrognio da anlise elementar atravs da regresso linear apresenta uma correlao com
fator de explicao de 63,63%.
14. Os resultados obtidos por anlise termogravimtrica (TGA), tanto no Laboratrio de
Produtos Florestais em Braslia, quanto no Laboratrio de Anlises Trmicas da Faculdade de
Geocincias da UFPA, observou-se que o perfil de perda de massa do processo de pirlise das
biomassas foi dividido em duas macro etapas. A primeira, comum aos resultados de ambos os
laboratrios, est situada entre 200 e 370C e est associada decomposio da celulose e
hemicelulose respectivamente, restando somente carvo. Na segunda macro etapa, situada
entre 230 e 750C, pode-se observar nos resultados do Lab. da Faculdade de Geocincias da
UFPA, que ocorreu o consumo total das amostras devo o equipamento estar programado para
operar em atmosfera de oxignio;
15. Os valores da energia de ativao obtidos pelos dois laboratrios ficaram prximos
entre si, para a etapa de pirlise entre 53,40 e 93,42 kJ.mol-1
. Estes valores aproximaram-se
dos valores reportados na literatura sobre a pirlise de compostos celulsicos (150 - 200
kJ.mol-1
).
59
CAPITULO 7: CONCLUSES
O contedo energtico de biomassa similar para todas as espcies de plantas, situada
no intervalo 19-22 MJ/kg (base seca), o que satisfatrio se comparado com espcies de
madeira que j so usadas com fins energticos, como eucalipto e pinus. Os principais
critrios para seleo das espcies de biomassas como fonte energtica so: taxa de
crescimento, facilidade de gesto, colheita e das propriedades intrnsecas, como a umidade/
cinza/ carbono fixo, pois estas propriedades influenciam nas caractersticas operacionais da
planta de converso.
Uma das propostas deste trabalho a utilizao das equaes que relacionam o valor de
PCS com os teores de carbono, hidrognio e oxignio, por ambas possuir erro mdio absoluto
abaixo de 2,51%.
= 3,07 32,80 120,92 + 6,45
= 0,82 + 0,38 + 0,09
recomendado por este trabalho um estudo mais aprofundado para a confeco de
briquetes das amostras de bambu e das espcies do tipo cascas e sementes para queima direta
em caldeiras devido teor de carbono encontrado nas amostras. Em especial o caroo de aa e
da casca da castanha-do-par, que so resduos com grande quantitativo gerado na regio
metropolitana de Belm.
Outra proposta e a compilao destes dados para alimentar um banco de dados que
tenha alcance nacional. Este banco de dados poder ser utilizado por projetistas de
equipamentos de converso trmica, de tal forma que estes profissionais possam dimensionar
os equipamentos de acordo com as espcies agroindustriais apresentados neste trabalho.
Como sugesto de trabalhos futuros, citamos a repetio das anlises feitas neste
trabalho com um nmero maior de biomassas, buscando conhecer a relao entre as
propriedades das mesmas com relao ao valor de PCS. Bem como outros mtodos para o
equacionamento de TGA e PCS.
60
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