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1 UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA – UNB FACULDADE DE TECNOLOGIA - FT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA FLORESTAL - EFL CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA FLORESTAL MAYERI CALAZANS DA ROCHA FROTA DENSIDADE ENERGÉTICA DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PROVENIENTES DA PODA DE ÁRVORES BRASÍLIA - DF 2021 2 MAYERI CALAZANS DA ROCHA FROTA DENSIDADE ENERGÉTICA DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PROVENIENTES DA PODA DE ÁRVORES Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de bacharel em Engenharia Florestal. Orientador: Prof. Dr. Ailton Teixeira do Vale BRASÍLIA – DF 2021 2 MAYERI CALAZANS DA ROCHA FROTA DENSIDADE ENERGÉTICA DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PROVENIENTES DA PODA DE ÁRVORES Trabalho de Conclusão de Curso defendido e aprovado no Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de bacharel em Engenharia Florestal, aprovado pela seguinte comissão examinadora: _____________________________________________ Prof. Dr. Ailton Teixeira do Vale Departamento de Engenharia Florestal – FT - Universidade de Brasília – UnB Orientador _____________________________________________ Prof. Dr. Alexandre Florian da Costa Departamento de Engenharia Florestal – FT - Universidade de Brasília – UnB Membro da Banca _____________________________________________ Engenheiro Florestal Mestre Macksuel Fernandes da Silva Escola de Agronomia / Universidade Federal do Goiás – UFG Membro da Banca BRASÍLIA – DF Outubro/2021 2 Dedico este trabalho à minha família, em especial aos meus pais, esposo e filho que, com amor, paciência, apoio e compreensão, nunca mediram esforços para que eu concluísse esta etapa acadêmica em minha vida. Aos amigos e colegas que acompanharam de perto todos os momentos desta jornada como verdadeiros parceiros profissionais. 2 AGRADECIMENTOS Agradeço ao Pai Celestial, meu Deus, por toda misericórdia derramada sobre mim, todas as bênçãos que o Senhor me concedeu ao longo de toda minha trajetória de vida acadêmica. Aos meus pais, Marcelo e Penha, por sempre me incentivarem a estudar, a nem pensar em não concluir esta graduação, independente das circunstancias e situações que a vida me revelou. Com sábias palavras, conforto, amor e todo suporte possível, mesmo à distância física, se fizeram presente todos os dias. Sou imensamente feliz e grata, por tê-los como exemplos e pais. Eu e meus irmãos fomos agraciados por ter vocês como nossos cuidadores, tutores e mestres. Obrigada por todo apoio familiar e dedicação contínua! Aos meus irmãos, Marcela e Mayko, por todas as conversas acolhedoras, incentivadoras e nossos momentos revigorantes juntos à cada viagem à Vitória. Vocês foram e são de suma importância, são exemplos de sucesso e parceria e me mostram que somos capazes, inteligentes e que nenhum obstáculo pode nos parar. A vocês todo meu amor, meus coniventes! Ao meu esposo e companheiro de vida, Henrique (HERF), que sempre esteve ao meu lado com paciência, compreensão e amor, principalmente nos dias em que me via “fora da caixinha”. Seu incentivo e certeza da minha capacidade me moveram diariamente. Obrigada por ser o real companheiro que sempre precisei, com tanta hombridade em cada momento. Agradeço com o coração leve e satisfeito pelos cuidados amorosos, cheios de sorrisos, com nosso filho quando precisei me fazer ausente de nossa família para concluir esta etapa em minha jornada. Ao Fernando, meu filho com quase 5 anos completos, por todas as gracinhas, risadas e amor mais puro. Mesmo as interrupções durante meus momentos de extrema concentração foram motivadoras para a conclusão deste ciclo. Sua alegria me energiza! À Clarisse, minha filha que está crescendo aqui dentro, por estar paciente e com saúde, permitindo que eu tenha forças e energia nessa reta final de gestação e graduação. Aos amigos que a Universidade de Brasília me deu. Agradeço em especial à Camila Corrêa da Silva, que virou noites e noites comigo, foi meu braço direito e parceira em tantos semestres e disciplinas para que juntas seguíssemos em frente, e chegássemos a esse momento! Ao professor Dr. Ailton Teixeira do Vale, por me ajudar durante minha fase acadêmica final, com projetos de pesquisas e este trabalho. Por acreditar em mim, meu muito obrigada! E por fim, agradeço a Universidade de Brasília como um todo, ao corpo docente do Departamento de Engenharia Florestal e demais pelos ensinamentos. E a todos que torceram por mim, obrigada! 3 DENSIDADE ENERGÉTICA DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PROVENIENTES DA PODA DE ÁRVORES Frota, M. C. R. RESUMO A biomassa residual é uma fonte energética extremamente abundante, acessível e com grande potencial de expansão. Atualmente, é utilizada com maior ou menor intensidade na matriz energética mundial, dependendo da região considerada. O presente estudo teve por objetivo analisar o potencial energético, com base na densidade energética, do resíduo de biomassa de poda de cinco espécies lenhosas de baixa densidade e com alta utilização na urbanização do Distrito Federal, submetidas a dois tipos de adensamento (peletização e briquetagem). A coleta do material foi realizada no Viveiro II da NOVACAP, empresa pública que realiza a poda e coleta deste resíduo na região distrital e em laboratório foram produzidos pellets e briquetes das espécies Persea americana, Spathodea campanulata Benv., Mangifera indica L., Ceiba speciosa e Ochroma pyramidale, determinados os teores de umidade, densidades e poder calorífico. Os resultados obtidos indicaram que com o adensamento dos materiais, os ganhos em densidade energética sólida dos pellets e briquetes a 0% de umidade, foram superiores a 100% para todas as espécies em comparação à madeira in natura. Dentre os dois produtos do adensamento, os pellets se destacaram em ganho energético para todas as espécies. Palavras-chave: pellets, briquetes, bioenergia, poda, resíduo, madeira. 4 ABSTRACT Residual biomass is an extremely abundant and accessible energy source with great expansion potential. Nowadays, it is used with greater or lesser intensity in the world energy matrix, based on the region considered. The present study aimed to analyze the energy potential, based on energy density, of the pruning biomass residue of five low-density woody species with high utilization in the urbanization of the Federal District, subjected to two types of densification (pelletizing and briquetting) comparing which is the most advantageous product, analyzing the energy gain with the transformation. The material was collected in the Viveiro II of NOVACAP, a public company that prunes and collects this waste in the district and in the laboratory pellets and briquettes of Persea americana, Spathodea campanulata Benv., Mangifera indica L., Ceiba speciosa e Ochroma pyramidale were produced, with moisture content, densities and calorific value determined. The results obtained indicated that with the densification of materials, the gains in solid energy density of pellets and briquettes at 0% moisture were greater than 100% for all species compared to fresh wood. Among the two products of densification, pellets stood out in terms of energy gain for all species. Keywords: pellets, briquettes, bioenergy, pruning, waste, wood. 5 SUMÁRIO LISTA DE TABELAS ......................................................................................................................6 LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................... 7 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 8 1.1 Pellets ................................................................................................................................ 9 1.2 Briquetes ........................................................................................................................... 9 1.3 Densidade energética ...................................................................................................... 10 2 OBJETIVO ................................................................................................................................. 11 3 MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................................... 11 3.1 Escolha das espécies estudadas, coleta e amostragem da madeira ................................. 11 3.2 Determinação do teor de umidade .................................................................................. 12 3.3 Peletização ...................................................................................................................... 13 3.4 Briquetagem .................................................................................................................... 15 3.5 Densidade sólida e teor de umidade dos pellets ............................................................... 16 3.6 Densidade sólida e teor de umidade dos briquetes ........................................................ 17 3.7 Poder calorífico e densidade energética .......................................................................... 18 3.8 Análise Estatística ............................................................................................................ 19 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................. 19 4.1 Peletização ....................................................................................................................... 20 4.2 Briquetagem ..................................................................................................................... 21 4.3 Poder calorífico superior (PCS), Inferior (PCI) e Útil (PCU) ......................................... 21 4.4 Densidade Energética (DE) ............................................................................................. 22 4.3.1 Densidade Energética a 0% de umidade (DE 0%) ............................................ 22 4.3.2 Densidade Energética a umidade ambiente (DE ua) ........................................ 25 5 CONCLUSÕES .......................................................................................................................... 26 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 27 6 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Tipos de densidade energética em função de diferentes poderes calorífico e densidade considerados. ...................................................................................................................................... 11 Tabela 2. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade das espécies de madeira in natura ............................................................................................................................... 20 Tabela 3. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade dos pellets .... 20 Tabela 4. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade dos briquetes 21 Tabela 5. Poder calorífico superior (PCS), inferior (PCI) e útil (PCU) dos pellets de madeira ..... 22 Tabela 6. Densidade energética a 0% de umidade da madeira, dos pellets e dos briquetes ............. 23 Tabela 7. Densidade energética a umidade ambiente (DEua) dos pellets e briquetes ...................... 25 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Serragem de cada espécie homogeneizada e disposta em bandejas para secagem e equalização da umidade ................................................................................................................... . 13 Figura 2. Peletizadora de marca Eng-Maq, modelo 0200V ............................................................ 14 Figura 3. Resíduo moído, ainda não aglomerado(a) e material peletizado (b) ................................ 14 Figura 4. Briquetadeira da marca Lippel, modelo LB 32 ................................................................. 15 Figura 5. Briquete produzido em resfriamento (a) e identificado pronto para análise (b) ............... 16 Figura 6. Pellets selecionados e identificados dispostos em placas de papelão ondulado no interior de bandejas de alumínio ..................................................................................................................... 16 Figura 7. Briquetes identificados e dispostos em bandejas de alumínio .......................................... 18 Figura 8. Valores médios de ganho em densidade energética sólida dos pellets em relação a densidade energética sólida da madeira in natura a 0% de umidade (DE 0%) ................................ 23 Figura 9. Valores médios de ganho em densidade energética sólida dos briquetes em relação a densidade energética sólida da madeira in natura a 0% de umidade (DE 0%) ................................. 24 Figura 10. Valores médios do ganho percentual em densidade energética a 0% de umidade entre materiais pellets e briquetes. ............................................................................................................. 25 Figura 11. Valores médios do ganho percentual em densidade energética entre materiais condensados, pellets e briquetes, a umidade ambiente ..................................................................... 26 8 1. INTRODUÇÃO Biomassa é todo material orgânico, não fóssil, que tenha conteúdo de energia química em seu interior (Vidal e Hora, 2010; MMA, 2009), tal qual madeira produzida do descarte urbano, que pode ser utilizada na sua totalidade, como fonte de combustível alternativo (Spadotto e Ribeiro, 2006), na forma in natura ou transformada em outro biocombustível. Os princípios da transformação energética da biomassa de madeira têm por base os processos físicos, químicos, termoquímicos e biológicos (Vidal e Hora, 2010). A peletização e a briquetagem podem ser classificados como processos físico termo-mecânicos. A transformação de resíduos florestais de baixa densidade, em biocombustíveis sólidos através da peletização e da briquetagem melhora suas qualidades a partir do ganho em densidade energética e contribui para sua viabilidade como combustível (Gonçalves et al, 2009; Costa,2011) A aglomeração de partículas de madeira facilita as operações de manuseio do material combustível em função da redução do seu volume, além de concentrar a energia disponível (Furtado et al., 2010). A redução de volumes do material é um processo vantajoso pois, em alguns casos, além da maior geração de energia por unidade de volume do material, permite que materiais finos possam ser transportados e armazenados de forma otimizada e econômica. (Quirino; Brito, 1991; Carvalho et al, 2010; Costa,2011). Apesar de, quando comparados ao material de origem in natura, os combustíveis compactados apresentarem qualidades energéticas e operacionais melhores, algumas características das biomassas a serem compactadas (composição química, poder calorífico, distribuição granulométrica, umidade, conteúdo de cinzas e comportamento térmico)devem ser observadas pois podem afetar a qualidade do produto final. (Maraver, 2013). As características e a qualidade dos pellets e briquetes podem ser influenciados por variáveis relacionadas à matéria prima (granulometria, composição química da biomassa, teor de umidade etc.) e ao processo de produção (pressão, temperatura etc.) (Furtado et al., 2010). O poder calorifico superior (PCS) é um dos principais parâmetros para expressar a capacidade de geração de energia em substituição aos combustíveis derivados do petróleo (Oliveira, 2017). O poder calorífico mede a quantidade de energia liberada de um determinado combustível sólido por unidade de massa (Quirino, 1991; Amorim, 2015). A densidade energética é um parâmetro que está diretamente relacionado com o poder calorífico e a densidade da biomassa (sólida, a granel, do estéreo), e, portanto, indispensável quando se quer comparar diferentes espécies ou biomassas. A densidade energética define a qualidade do 9 produto a partir das características químicas, as condições de umidade e a quantidade de calor do produto final em uma única variável (Oliveira, 2017). 1.1 Pellets O produto da peletização é o pellet, sendo este resultante do processo físico de adensamento, que utiliza a pressão mecânica com o objetivo de reduzir o volume da matéria prima e seu teor de umidade e aumentar seu conteúdo energético por unidade de volume (Werther et al, 2000). A pressão e o atrito entre as partículas produzem o calor necessário para modificar a estrutura da lignina e propiciar a ligação entre as partes. A geometria cilíndrica dos pellets com diâmetro de 6 a 10 mm, possibilita excelente fluidez com ganhos na automatização de processos de combustão do produto (Garcia, 2017). Os pellets de madeira já são considerados um dos maiores produtos de biomassa sólida comercializados internacionalmente. Os maiores produtores mundiais de pellets são Estados Unidos, Canadá e Alemanha (USDA, 2017) e os principais mercados de exportação são o Reino Unido, Dinamarca, Benelux (Bélgica, Luxemburgo e Países Baixos) e Espanha (ANPEB, 2018). A demanda por pellets na Europa (o maior consumidor do mundo) desde 2008, superou significativamente a produção doméstica, necessitando assim de importação que ocorre principalmente do Canadá, Estados Unidos e da Rússia (USDA, 2017). O mercado internacional de pellets é atrativo para os países que estiverem preparados para produção em larga escala, pois vislumbra-se aumentos substanciais no consumo deste produto principalmente levando em conta a pressão mundial com a proteção do meio ambiente e com isto a necessidade de substituição dos combustíveis fósseis (USDA, 2017). Na América Latina, apesar de ser um setor agro florestal bem estabelecido, apenas Argentina, Brasil e Chile produzem pellets, mas com uma exportação ainda insignificante (FAO, 2016). No Brasil, as plantas de peletização começaram a ser implantadas em 2004 e 69% delas surgiram depois de 2012, havendo uma defasagem de mais de 23 anos do mercado de em relação à Europa e a América do Norte (Garcia et al, 2017). A utilização de pellets na produção de energia, tem como vantagens: a facilidade no manuseio, transporte e armazenamento, além de apresentar excelente fluidez implicando em ganhos na automação (Garcia, 2017); melhor controle sobre a combustão, com aumento de eficiência e diminuindo das emissões de gases poluentes; e aumento da densidade energética do material (Moraes et al, 2017), além de ser facilmente utilizados em mecanismos de combustão direta, co- combustão, gaseificação e pirólise (Vinterback, 2002; Kaliyan e Morey, 2009). 10 1.2 Briquetes De acordo com Flores et al. (2009) a briquetagem consiste na compactação, de biomassa em uma pequena unidade de área, concentrando elevada quantidade de energia, proporcionando no mínimo cinco vezes mais energia do que o material descompactado (Amorim et al., 2015, Souza & Vale, 2016). O processo de briquetagem é realizado por meio de temperatura e/ou pressão, com auxílio ou não de um aglomerante, permitindo a obtenção de um produto não só compactado, porém com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados (Quirino; Brito, 1991; Nazaré, 2018). No caso da madeira, a adição de aglomerantes não é necessária pois, devido à elevada temperatura do processo, a lignina sofre um processo denominado plasticização, e passa a agir como agente ligante, além de criar uma camada que protege o briquete de variações de umidade. Quanto ao processo produtivo, segundo Furtado et al. (2010), a fabricação de briquetes de resíduos de madeira com diferentes pressões de compactação, tem mais energia do que a própria matéria-prima in natura. A pressão exerce influência na densidade e a interação material/pressão leva a diferenças significativas nas densidades do briquete e energética. Quanto maior for o tempo em que o material permanecer submetido a pressão, maior será sua a densificação (Freitas, 2016). Isso pode ser explicado pelo maior tempo em que as partículas ficam expostas à temperatura e em contato entre si, possibilitando maior transferência de calor da superfície para o interior do briquete e plasticização da lignina, e consequentemente, maior densidade dos briquetes (Barros et al., 2011). Entretanto, é necessário avaliar as condições do briquete final uma vez que quanto maior a sua densidade, maior poderá ser a sua resistência à queima. 1.3 Densidade energética A densidade energética é obtida pelo produto entre o poder calorífico e a densidade da biomassa, cuja unidade no Sistema Internacional (SI) é kj/m3(quilojoule por metro cúbico) mas também é usado kcal/m3 (quilocaloria por metro cúbico), além da possibilidade de expressá-la em kj ou kcal por hectare. É uma propriedade importante, que, por ter a densidade e o poder calorífico na sua determinação, acaba por englobar as características químicas e físicas da madeira para a produção de energia na forma de calor. A densidade da biomassa pode apresentar valores diferentes de acordo com sua umidade e forma em que se apresenta: bloco sólido, cavacos e/ou pó, e, neste caso, dependerá da granulometria. 11 O poder calorífico da biomassa pode ser superior, determinado em bomba calorimétrica, ou ajustado em função do teor de umidade, expresso como poder calorífico inferior (PCI) ou útil (PCU). Portanto, tanto a densidade da madeira quanto o poder calorífico podem ser obtidos em diferentes condições gerando diferentes valores de densidade energética, conforme Tabela 1. A exceção a esta regra é quando se tem a densidade básica, que pode ser obtida pela relação entre a massa seca a 0% de umidade e o volume saturado. Tabela 1. Tipos de densidade energética em função de diferentes poderes caloríficos e densidades considerados. Fonte: Vale, A.T. 2018. 2. OBJETIVO Analisar o potencial energético do resíduo de cinco espécies lenhosas de baixa densidade, da poda urbana do Distrito Federal com base na densidade energética, submetidas a dois tipos de adensamento (peletização e briquetagem). 3. MATERIAL E MÉTODOS 3.1. Escolha das espécies estudadas, coleta e amostragem da madeira Foram escolhidas para este trabalho cinco espécies arbóreas de baixa densidade e de comum ocorrência na arborização urbana do Distrito Federal: Persea americana (abacateiro), Spathodea campanulata Benv. (espatódea), Mangifera indica L. (mangueira), Ceiba speciosa (paineira) e Ochroma pyramidale (pau-de-balsa). (Vale et al, 2005) 12 A coleta do material foi realizada no Viveiro II da NOVACAP. No local, foram selecionadas 3 toras de madeira de cada uma das cinco espécies adotando-se como critério de escolha o diâmetro aproximado de 20 cm. As amostras coletadas foram levadas para o Laboratório de Preservação da Madeira, localizado na Fazenda Experimental Água Limpa, de propriedade da Universidadede Brasília. De cada tora retirou-se um disco, que foi fracionado em cunhas para determinação do teor de umidade e da densidade sólida a 0% de umidade da madeira in natura e o restante do material foi processado para transformação em pellets e briquetes. 3.2 Teor de Umidade e densidade da madeira in natura. A determinação do teor de umidade e da densidade a 0% teve por base o trabalho de Vital (1997), Vital (1984) e a norma NBR 7190 (ABNT, 1997). As amostras de cada espécie, em formato de cunha, foram pesadas em balança com sensibilidade de 0,01g, obtendo a massa úmida (Mu) e pelo método da balança hidrostática, foi obtido o volume. As amostras, então, foram colocadas para secar em estufa da marca Marconi, modelo MA-035/5 à 103±2ºC, até massa constante. Posteriormente, todas as amostras foram pesadas obtendo a massa absolutamente seca a 0% de umidade (M0%) e o volume obtido pelo mesmo método. Com os dados de massa úmida e seca e de volume úmido e seco, obteve-se as densidades na umidade atual (Dua) e a 0% (D0%), respectivamente, pela relação entre massa (M) e volume (V). O teor de umidade em base seca (TUbs) foi calculado, conforme Vital (1984) pela expressão 01. 𝑇𝑈𝑏𝑠 = 𝑀𝑢 − 𝑀0% 𝑀0% 𝑥100 𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 01 O teor de umidade (Tubu) foi calculado em base úmida, conforme Vital (1984) pela expressão 02. 𝑇𝑈𝑏𝑢 = 𝑀𝑢 − 𝑀0% 𝑀u% 𝑥100 𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 02 Após a retirada das amostras na forma de cunha para a determinação da umidade e densidade, a madeira remanescente foi transformada em serragem para a produção dos pellets e briquetes. 13 A serragem foi homogeneizada, identificada e disposta em bandejas (Figura 1) para secagem e equalização da umidade, em local arejado, ao abrigo do sol e chuva. De cada espécie foram retiradas três amostras para controle e acompanhamento da umidade. Figura 1. Serragem de cada espécie homogeneizada e disposta em bandejas para secagem e equalização da umidade. Ao atingir um teor de umidade entre 9 e 12 %, as amostras de todas as espécies foram moídas em moinho de facas tipo Wiley e acondicionadas em sacos plásticos para posterior processamento. Tanto para o processo de moagem quanto para o de peletização e de briquetagem, antes que cada espécie fosse processada, foi realizada a limpeza dos equipamentos com o auxílio de escova e jato de ar comprimido evitando-se a contaminação do material. 3.3 Peletização O material, com teor de umidade entre 9 e 12%, foi peletizado na peletizadora de marca Eng- Maq, modelo 0200V (Figura 2). 14 Figura 2. Peletizadora de marca Eng-Maq, modelo 0200V utilizada no trabalho. O resíduo moído (Figura 3-a) foi colocado na peletizadora e, durante o processo de peletização, foram retiradas três amostras de pellets (Figura 3-b) com massa semelhante para cada tratamento, considerando o início, meio e fim do processo, controlado pela alimentação da peletizadora. Em seguida, as amostras foram colocadas em bancadas para resfriamento e equilíbrio da umidade, em seguida foram peneiradas e acondicionadas em sacos (granel) devidamente identificados. a) b) Figura 3. Resíduo moído, ainda não aglomerado(a) e material peletizado (b) 15 3.4 Briquetagem Os briquetes foram produzidos em uma briquetadeira da marca Lippel, modelo LB 32 (Figura 4). Para cada espécie foram produzidos 3 briquetes (Figura 5).Para a produção de cada briquetes foi utilizada 40g de serragem submetida as pressões de 60 bar, a temperatura de 120ºC por 5 minutos, e resfriamento por 7 minutos. Após a confecção os briquetes foram colocados sobre uma bancada e expostos ao ambiente para equilbrio da umidade. A opção pela pressão de 60 bar para confecção dos briquetes, baseou-se em um estudo recente a respeito da influência da pressão de compactação na qualidade e na combustão do briquete de Pinus sp. Frota e Vale (2021) concluíram que a produção de briquetes com pressão de 60 bar mostrou-se mais viável, mantendo-se a qualidade do briquete com menor consumo energético no processo de adensamento. Figura 4. Briquetadeira da marca Lippel, modelo LB 32 utilizada no trabalho. 16 a) b) Figura 5. Briquete produzido em resfriamento (a) e identificado pronto para análise (b) Os briquetes foram submetidos aos seguintes ensaios: densidade com base em Vital (1984) e a Norma NBR7190 (ABNT, 1997) com auxílio de um paquímetro digital com sensibilidade de 5mm e de uma balança de precisão com sensibilidade de 10-2g, teor de umidade, a partir de uma pequena amostra de cada briquete retirada após a determinação da densidade, segundo Vital (1984). 3.5 Densidade sólida e teor de umidade dos pellets A determinação do teor de umidade e da densidade dos pellets teve por base o trabalho de Vital (1997), Vital (1984) e a norma NBR 7190 (1997). Para determinação da densidade sólida a 0% de umidade pelo método estequiométrico (Expressão 04), de cada repetição, foram selecionados e identificados 20 pellets, totalizando 60 pellets amostrados por espécie. Os pellets foram identificados e dispostos em placas de papelão ondulado (Figura 06). Figura 6. Pellets selecionados e identificados dispostos em placas de papelão ondulado no interior de bandejas de alumínio. 17 A massa úmida (Mu) e seca a 0% de umidade (M0%) de cada pellet foi determinada com auxílio de uma balança de precisão com sensibilidade de 10-2g; assim como o diâmetro e o comprimento com auxílio de um paquímetro digital com sensibilidade de 5mm, para determinação dos volumes úmido (Vu) e seco a 0% de umidade (V0%) (Expressão 05). O teor de umidade foi determinado conforme descrito para o material in natura. Para obtenção dos dados a 0% de umidade as amostras foram colocadas em estufa com à 103±2ºC até massa constante, ocasião em que todas as medidas anteriores foram novamente obtidas. 𝐷𝑢𝑎 = 𝑀𝑢 𝑉𝑢 𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 03 𝐷0% = 𝑀0% 𝑉0% 𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 04 𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟2𝐿 𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 05 Onde: Dua – Densidade a umidade atual D0% - Densidade a 0 % de umidade V - volume r – raio do cilindro (cm); L – comprimento do cilindro (cm). 3.6 Densidade sólida e teor de umidade dos briquetes A determinação do teor de umidade e da densidade dos briquetes teve por base o trabalho de Vital (1997), Vital (1984) e a norma NBR 7190 (ABNT, 1997). Para determinação da densidade sólida a 0% de umidade, as amostras foram colocadas em estufa à 103±2ºC até massa constante, quando então foram retiradas, resfriadas e pesadas novamente para obter-se a massa seca (M0%). E, pelo método estequiométrico, cada amostra produzida foi identificada (Figura7) e pesada com auxílio de uma balança de precisão com sensibilidade de 10-2g; e suas dimensões, 18 diâmetro e comprimento (para cálculo de volume), foram obtidas com auxílio de um paquímetro digital com sensibilidade de 5mm, conforme procedimento realizado com os pellets. Figura 7. Briquetes identificados e dispostos em bandejas de alumínio 3.7. Poder calorífico e densidade energética O poder calorífico superior (PCS) das espécies foi determinado com amostras das serragens na bomba calorimétrica C 2000 basic da IKA Calorimeter através de metodologia adaptada da norma NBR 8633 (ABNT, 1984) do Laboratório de Propriedades Energéticas da Madeira, do Departamento da Engenharia Florestal. O poder calorífico inferior (PCI) foi determinadoatravés da Expressão 06, na qual, o teor de hidrogênio (H%) presente no material considerado foi de 6,00% e o poder calorífico útil (PCU) pela expressão 07, onde Ubu é umidade em base úmida (Brito, 1993). 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − 600 ∗ 9 ∗ 𝐻 100 (𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 06) 𝑃𝐶𝑈 = 𝑃𝐶𝐼 (1 − 𝑈𝑏𝑢) − 600 ∗ 𝑈𝑏𝑢 (𝐸𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 07) A densidade energética é definida como o produto entre o poder calorífico e a densidade do combustível. Assim determinou-se as seguintes densidades energéticas: 19 Densidade energética da madeira in natura DEmu = PCU * ρu DEm0% = PCI * ρ0% Onde: DEmu - Densidade Energética da madeira úmida DEm0% - Densidade energética da madeira a 0% de umidade ρu – densidade úmida ρ0% - densidade a 0% de umidade Densidade energética dos pellets DEpu = PCU * ρu DEp0% = PCI * ρ0% Densidade energética dos briquetes DEbu = PCU * ρu DEb0% = PCI * ρ0% 3.8. Análise Estatística O delineamento estatístico foi inteiramente casualizado com cinco tratamentos (espécies) e três repetições. A densidade energética foi analisada a partir de análise de variância a 5% de probabilidade. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os valores médios da densidade a 0% de umidade e teor de umidade das espécies na condição in natura são apresentados na Tabela 02. As espécies apresentaram densidade a 0% variando de 380 kg/m³ a 490 kg/m³. 20 Tabela 2. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade das espécies de madeira in natura. Espécie Densidade 0% (kg/m³) Umidade atual - ua (%) Abacateiro 490 11,18 Paineira 360 10,34 Mangueira 480 9,29 Espatódea 380 10,12 Pau-de-balsa 380 11,20 O teor de umidade do material in natura variou de entre 9 e 12%, diminuindo para umidades entre 4 e 10% para os pellets e entre 5 e 7% para os briquetes produzidos. Essa redução já era esperada, pois os processos de peletização e briquetagem ocorrem a temperaturas acima de 100oC, provocando evaporação de água. (Barros et al., 2011) Pellets e briquetes com altas densidades sólidas são desejáveis uma vez que otimizam o transporte a maiores distâncias e o espaço em locais de armazenamento, quando comparado a outros combustíveis tradicionais, reduzindo assim os gastos (Oliveira, 2016). 4.1 Peletização Na Tabela 3 encontram-se os valores médios de densidades e de umidade dos pellets produzidos. Com o adensamento da madeira em formato de pellet, o abacateiro elevou sua densidade a 0% de umidade de 490kg/m³ para 1180kg/m³, ou seja, um aumento de ordem de 140%. A Mangueira apresentou um incremento de 163%; a Espatódea de 223%; a paineira e o pau-de- balsa de 220% e 215%, respectivamente. Tabela 3. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade dos pellets. Espécie D0% (kg/m³) Teor de Umidade (%) Abacateiro 1180 10,02 Paineira 1153 9,31 Mangueira 1263 7,28 Espatódea 1226 6,06 Pau-de-balsa 1200 4,42 21 Espatódea e pau-de-balsa foram as espécies com maior perda de material após o peneiramento, pois apresentaram maior dificuldade para o adensamento, durante a peletização e, portanto, produzindo maior quantidade de finos e, consequentemente, menor aproveitamento. Os pellets ficaram com comprimento mais curto e mais susceptíveis a quebra. Uma possível explicação estaria no baixo teor de umidade destas espécies após o processo peletização (6,06% e 4,42%), pois Lethikangas (2001) mostrou que há uma relação direta entre o teor de umidade e o comprimento dos pellets. As espécies mangueira e paineira produziram pellets, nas condições de estudo, de melhor qualidade que os anteriores, com maior aproveitamento e menor quantidade de resíduos não aglomerados após peneiramento. O abacateiro destacou-se entre as espécies estudadas, pois obteve um ótimo resultado durante a peletização, com praticamente total aproveitamento após o peneiramento, produzindo pouco resíduo não compactado. 4.2.Briquetagem A transformação da madeira em formato de briquete, conforme dados da Tabela 4, resultou em um aumento de densidade a 0% de ordem de 112% para o abacateiro, 115% para mangueira e um incremento de 179%, 139% e 195%, respectivamente, para espatódea, pau-de-balsa e paineira. Tabela 4. Valores médios da densidade a 0% de umidade (D0%) e teor de umidade dos briquetes. Espécie D0% (kg/m³) Teor de Umidade (%) Abacateiro 1043 6,11 Paineira 1064 5,67 Mangueira 103 6,18 Espatódea 1062 6,35 Pau-de-balsa 909 5,85 4.3 Poder calorífico superior (PCS), Inferior (PCI) e Útil (PCU) A peletização e a briquetagem são processos mecânicos de adensamento nos quais não existem modificações químicas do material (Quirino; Brito, 1991). Logo, o poder calorífico superior (PCS) que variou de 17,65 a 20,87 MJ/kg, e o poder calorífico inferior a 0% (PCI 0%) da 22 madeira in natura, com variação de 16,30 a 19,51 MJ/kg, são também considerados para os pellets e briquetes (Tabela 5). Tabela 5. Poder calorífico superior (PCS), inferior (PCI) e útil (PCU) dos pellets de madeira Espécie PCS (MJ/kg) PCI (MJ/kg) PCU madeira (MJ/kg) PCU pellet (MJ/kg) PCU briquete (MJ/kg) Abacateiro 20,47 19,11 16,70 16,95 17,79 Paineira 17,65 16,30 14,35 14,54 15,23 Mangueira 20,87 19,51 17,47 17,91 18,15 Espatódea 19,56 18,20 16,11 16,95 16,89 Pau-de-balsa 19,74 18,38 16,04 17,46 17,16 Camargo (2013) analisou pellets de madeira de Pinus spp e Eucalyptus e Orellana (2019) em seu estudo com pellets produzidos com 9 diferentes matérias-primas e verificaram que as médias de PCS atingiram valores próximos à 20 MJ/kg, valor semelhante aos obtidos com os pellets de madeira de resíduo de poda urbano deste trabalho. Por outro lado, o poder calorífico útil (PCU) é diferente para cada tipo de material, tanto madeira in natura quanto material adensado, pois varia com o teor de umidade. Neste sentido, para a madeira in natura a mangueira apresentou maior PCU com 17,47 MJ/kg e menor PCU para paineira com 14,35 MJ/kg. Os pellets de mangueira e pau-de-balsa foram as espécies que apresentaram maior poder calorífico útil (PCU) com 17,91 e 17,46 MJ/kg, respectivamente. A mangueira em adensado de briquete também liderou as espécies com maior PCU neste formato com 18,15 MJ/kg, seguida pelo abacateiro com 17,79 MJ/kg, e ocupando o terceiro de maior ordem está o pau-de-balsa com 17,16 MJ/kg. 4.3 Densidade Energética (DE) 4.3.1 Densidade Energética a 0% de umidade (DE 0%) Conforme resultados apresentados na Tabela 6, observam-se ganhos consideráveis em densidade energética a 0% de umidade (DE 0%) com os materiais adensados em relação à madeira in natura na mesma condição de umidade. Tabela 6. Densidade energética a 0% de umidade da madeira in natura, dos pellets e dos briquetes. 23 Espécie DE 0% madeira (GJ/m³) DE 0% Pellet (GJ/m³) DE 0% Briquete (GJ/m³) Abacateiro 9,37 24,15 21,35 Paineira 5,87 20,35 18,79 Mangueira 9,37 26,36 21,57 Espatódea 6,92 23,98 20,78 Pau-de-balsa 6,98 23,68 17,94 Na Figura 8 são apresentados os ganhos em densidade energética a 0% de umidade dos pellets em relação à densidade energética a 0% de umidade da madeira in natura. Foram observados ganhos acima de 155% para todos os resíduos de poda adensadas, com os maiores ganhos (acima de 200%) para as espécies de menores densidades a 0% de umidade, com destaque para a paineira com 246,94%. Figura 8. Valores médios de ganho em densidade energética sólida dos pellets em relação a densidade energética sólida da madeira in natura a 0% de umidade (DE 0%) Na Figura 9 são apresentados os ganhos em DE a 0% de umidade dos briquetes em relação à DE 0% de umidade da madeira in natura. Os ganhos são acima de 127%para todos as espécies em estudo, evidenciando os maiores ganhos para as espécies com menores densidades a 0% de umidade, em especial com 220,29% de ganho em DE para a paineira. 157,91 246,94 181,42 246,67 239,10 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 Abacateiro Paineira Mangueira Espatódea Pau-de-balsa G a n h o % e m D E D en si d a d e en er g ét ic a 0 % (G J /m ³) In natura Pellet Elevação da DE (%) 24 Figura 9. Valores médio de ganho em densidade energética sólida dos briquetes em relação a densidade energética sólida da madeira in natura a 0% de umidade (DE 0%) Comparando-se os dois materiais adensados, pellets e briquetes, conforme Figura 10, observa-se que o pellet, apresentou uma maior densidade energética a 0% de umidade, com ganhos acima de 8% no caso da paineira e 32% para o pau-de-balsa. A mangueira na condição de briquete apresentou maior DE 0%, com 21,57 GJ/m³, seguida pelo abacateiro com 21,35 GJ/m³ e das demais espécies espatódea, paineira e pau-de-balsa, com respectivamente 20,78 GJ/m³, 29,79 GJ/m³ e 17,94 GJ/m³. Também na condição de pellet a mangueira, abacate e espatódea foram as espécies com maior DE 0% com 26,36 GJ/m³, 24,15 GJ/m³ e 23,98 GJ/m³, e com menores valores para o pau-de- balsa com 23,68 GJ/m³ e paineira com 20,35GJ/m³. 127,97 220,29 130,30 200,33 156,85 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 Abacateiro Paineira Mangueira Espatódea Pau-de-balsa G a n h o % e m D E D en si d a d e en er g ét ic a 0 % (G J /m ³) In natura Briquete Elevação da DE (%) 25 Figura 10. Valores médios do ganho percentual em densidade energética a 0% de umidade entre pellets e briquetes. 4.3.2 Densidade Energética a umidade ambiente (DE ua) Apesar de relevantes, as informações de ganho em DE a 0% de umidade acrescentam pouco do ponto de vista prático, uma vez que os pellets e briquetes são colocados nas fornalhas de forma aleatória e a uma temperatura ambiente, sem secagem prévia. Logo, neste sentido, os ganhos em produção de energia na forma de calor apresentado pela Tabela 7 são mais adequados, pois exprimem a realidade do processo de queima, considerando a condição mais realistas em termos de umidade do adensado no momento de uso. Tabela 7. Densidade energética a umidade ambiente (DEua) dos pellets e briquetes. Espécie DEua Pellet (GJ/m³) DEua Briquete (GJ/m³) Abacateiro 21,18 19,54 Paineira 17,69 17,10 Mangueira 23,34 19,92 Espatódea 21,63 19,10 Pau-de-balsa 21,40 16,61 13,13 8,32 22,19 15,43 32,02 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 Abacateiro Paineira Mangueira Espatódea Pau-de-balsa G a n h o % e m D E D en si d a d e en er g ét ic a 0 % (G J /m ³) Briquete Pellet Elevação da DE (%) 26 Se comparados os dois materiais adensados, pellets e briquetes, conforme Figura 11, é possível observar que na condição de umidade ambiente, o pellet se apresenta, para todas as espécies em análise, com uma maior densidade energética. A mangueira na condição de briquete apresenta maior DEua, com 19,92 GJ/m³, seguida pelo abacateiro com 19,54 GJ/m³ e das demais espécies espatódea, paineira e pau-de-balsa, com respectivamente 19,10 GJ/m³, 17,10 GJ/m³ e 16,61 GJ/m³. Também na condição de pellet a mangueira apresenta-se como a espécie de maior DEua com 23,34 GJ/m³, seguida por espatódea com 21,63 GJ/m³, pau-de-balsa com 21,40 GJ/m³, abacateiro com 21,18 GJ/m³, e por fim com menor valores está a paineira com 17,69 GJ/m³. Figura 11. Valores médios do ganho percentual em densidade energética entre materiais condensados, pellets e briquetes, a umidade ambiente 5. CONCLUSÕES Os pellets se destacaram como combustível sólido adensado com maiores ganhos energéticos quando comparados, tanto com o material in natura a 0% de umidade, quanto com os briquetes na umidade atual. Quando se analisa as espécies a 0% de umidade, a paineira se destacou com maior ganho em densidade energética, tanto para o formato de pellet com ganho de 246,94%, quanto para briquete com 220,29% de ganho. 8,41 3,43 17,16 13,22 28,84 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 Abacateiro Paineira Mangueira Espatódea Pau-de-balsa G a n h o % e m D E D en si d a d e en er g ét ic a u m id a d e a m b ie n te (G J /m ³) Briquete Pellet Elevação da DE (%) 27 O processo de transformação termo mecânica dos resíduos in natura de poda urbana em materiais adensados como pellets e briquetes possibilita um ganho significativo na geração de energia por unidade de volume, elevando a capacidade energética destes combustíveis. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 8633: Carvão vegetal - Determinação do poder calorífico. Rio de Janeiro, 1984. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 7190: Projeto de Estruturas de Madeira. Rio de Janeiro, 1997. 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