aproveitamento tecnolÓgico de resÍduos da cadeia do cacau...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA
MESTRADO EM ENERGIA
MAIQUEL MOREIRA NUNES SANTOS
APROVEITAMENTO TECNOLÓGICO DE RESÍDUOS DA CADEIA DO CACAU
PARA GERAÇÃO DE ENERGIA
São Mateus
2016
MAIQUEL MOREIRA NUNES SANTOS
APROVEITAMENTO TECNOLÓGICO DE RESÍDUOS DA CADEIA DO CACAU
PARA GERAÇÃO DE ENERGIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Energia do Centro Universitário Norte do Espírito Santo da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito para obtenção do Título de Mestre em Energia, área de concentração em Engenharia, Tecnologia e Gestão. Orientador: Prof. Dr. Leonardo da Silva Arrieche Coorientadora: Profª. Drª. Ana Paula Meneguelo
São Mateus
2016
MAIQUEL MOREIRA NUNES SANTOS
APROVEITAMENTO TECNOLÓGICO DE RESÍDUOS DA CADEIA DO CACAU PARA
GERAÇÃO DE ENERGIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Energia do Centro
Universitário Norte do Espírito Santo da Universidade Federal do Espírito Santo como
requisito para obtenção do Título de Mestre em Energia, área de concentração em
Engenharia, Tecnologia e Gestão.
Aprovado em ______ de _________________ de 2015
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Leonardo da Silva Arrieche
Universidade Federal do Espírito Santo
Orientador
Profª. Dra. Ana Paula Meneguelo
Universidade Federal do Espírito Santo
Coorientadora
Prof. Dr. Paulo Sérgio da Silva Porto
Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Marco Antonio Galeas Aguilar
Comissão Executiva do Plano da Lavoura Cacaueira
Dedico este trabalho à minha esposa, minha maior inspiração. Aos meus pais, meus exemplos de honestidade e perseverança.
Às minhas irmãs, pelo incentivo nos momentos difíceis.
AGRADECIMENTOS
À Deus em primeiro lugar, pela força durante a caminhada de desenvolvimento
deste trabalho, mesmo diante de todas as dificuldades.
A toda a minha família pelo apoio incondicional e incentivo em todos os
momentos.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Leonardo da Silva Arrieche, por sua confiança,
dedicação e ensinamentos transmitidos durante toda a realização desse projeto.
À minha coorientadora, Prof. Dra. Ana Paula Meneguelo pela disposição em
ajudar e contribuir para o projeto. Aos professores Thaisa Lira e Thiago Xavier
pela ajuda na realização dos experimentos. Ao prof. Paulo Porto pelas sugestões
ao trabalho.
À Prof. Dra. Gisele Chaves e família pelo carinho e apoio durante toda a jornada.
Aos colegas de mestrado, em especial ao Felipe Oliveira, Luila Saidler, Romulo
Souza, Patrick Araújo e Vanessa Custódio pela convivência e ajuda nos estudos.
Ao PPGEN pelo suporte durante a pesquisa e aos professores do programa que
contribuíram com o meu crescimento profissional e pessoal.
Às alunas de graduação, Giulia Correa, Caroline Meneguetti e Brenda Pirola, pelo
auxílio na realização dos experimentos.
À CAPES pelo apoio financeiro.
À CEPLAC pelo fornecimento de amostras para realização dos experimentos, em
especial ao Prof. Marco Antonio Aguilar pela valiosa contribuição no
desenvolvimento do trabalho.
RESUMO
O beneficiamento do cacau tem grande importância social, econômica e ambiental no mundo.
O principal resultado esperado do beneficiamento desse fruto é o fornecimento dos
ingredientes para a produção de chocolates. Entretanto outro resultado é a geração de
resíduos, que ainda não possuem uma destinação adequada. O principal resíduo gerado, em
volume, é casca do fruto, pois corresponde a 80% do fruto. Dentre as possibilidades de
aproveitamento desse resíduo a conversão energética tem se tornado alvo de estudo, mas a
prática ainda é incipiente. Como existem diversas rotas para a conversão energética, torna-se
necessário selecionar a melhor tecnologia para a biomassa estudada. Desse modo, o objetivo
desse trabalho foi realizar a síntese tecnológica e estrutural do processo de produção de
energia elétrica a partir da casca do cacau. Diante da multiplicidade de soluções desse
problema, foram utilizados os conceitos da Engenharia de Processos. Com o auxílio de
técnicas preconizadas pela Engenharia de Sistemas e a Inteligência Artificial, o problema foi
decomposto em subsistemas e representado em árvore de estados. Além disso, foram
realizados alguns estudos experimentais a partir de quatro variedades de cacau (TSH 1188,
Comum, Catongo e CCN 51): caracterização físico-química da biomassa; cinética de secagem
da casca do cacau em secadores do tipo estufa e túnel convectivo; e avaliação do processo de
queima da biomassa. Para cada rota tecnológica estudada (Pirólise, Gaseificação, Combustão
e Biodigestão) foram gerados os fluxogramas plausíveis e construídas regras heurísticas.
Através do método heurístico foi encontrada uma solução próxima à ótima para o projeto em
estudo: um fluxograma-base para cada rota tecnológica estudada. Foram geradas 8.400
configurações plausíveis para a produção de energia elétrica via Combustão Direta. A fim de
aprimorar a solução existente foram identificados os vizinhos estruturais (menor custo) do
fluxograma-base de cada rota tecnológica, como estabelece o Método Evolutivo. Este trabalho
contribuiu com a identificação de uma rota promissora para o aproveitamento energético da
biomassa do cacau, resultando na geração de mais valor à cadeia do cacau e redução dos
impactos ambientais. Além disso, os aprendizados podem também contribuir para o
desenvolvimento de novas tecnologias de conversão e para o aproveitamento de diferentes
biomassas.
Palavras-chave: Biomassa. Resíduos do Cacau. Engenharia de Processos. Heurísticas
.
ABSTRACT
The cocoa processing has great importance social, economic and environmental
in the world. The cocoa beans are the key feedstock to the production of chocolates. However,
another result is the generation of waste, which do not yet have an appropriate destination. The
main waste generated is the pod husk of the cocoa fruit, that corresponds to 80% of the fruit.
The energy conversion from this waste appears as a promising alternative to the correct use of
this residue. It is necessary to select the best rote to convert in energy. For this reason, the aim
objective of this study was to develop the technological and structural optimization of the
production process of electric power from the cocoa pod husk. In face of the multiplicity of
solutions to this problem, this work based on the Process Engineer concepts. The problem was
decomposed in subsystems and represented in a state tree, according to the Systems
Engineering and Artificial Intelligence. During this work, some experimental studies (physical
and chemical characterization, drying process, and evaluation of combustion process) in the
four cocoa varieties (TSH 1188, Common, Catongo, and 51 CCN) helped to know the energetic
potencial. Then, it was proposed heuristic rules to conduct to selection of the best equipments
to each selected route - Pyrolysis, Gasification, Combustion and Biodigestion. The application
of the heuristic method produced 8,400 possible configurations to production of eletric power via
Direct Combustion and an optimum flowchart base. In order to improve the found heuristic
solution the structural neighbors (lower cost and high performance) were identified in the
technological route, as established the evolutionary method. This work contributed to the
identification of a promising route to produce energy from biomass cocoa, increasing value in
the the cocoa chain and to reduce the environmental impacts. The learnings of this work may
also contribute to develop new technologies end to help the use of different biomass.
Key-words: biomass. Cocoa waste. Process Engineer. heuristics
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................................... 14
1.1 OBJETIVO ........................................................................................................................................................... 15
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................ 16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................................................. 17
2.1 A IMPORTÂNCIA DA CADEIA DO CACAU/CHOCOLATES ....................................................................... 17
2.2 GERAÇÃO DE BIOMASSA NA CADEIA DO CACAU ................................................................................... 19
2.3 PROPRIEDADES ENERGÉTICAS DA BIOMASSA......................................................................................... 21
2.3.1 Densidade ............................................................................................................................................. 21
2.3.2 Análise Imediata .................................................................................................................................. 22
2.3.3 Poder Calorífico .................................................................................................................................. 23
2.4 PRINCIPAIS ROTAS TECNOLÓGICAS PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA ................................................ 24
2.4.1 Combustão Direta ............................................................................................................................... 24
2.4.2 Pirólise ................................................................................................................................................... 26
2.4.3 Gaseificação ........................................................................................................................................ 27
2.4.4 Biodigestão .......................................................................................................................................... 27
2.5 ENGENHARIA DE PROCESSOS ....................................................................................................................... 27
3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................................................. 30
3.1 ROTAS TECNOLÓGICAS: ÁRVORE DE ESTADO ......................................................................................... 30
3.2 PROPRIEDADES ENERGÉTICAS DA BIOMASSA......................................................................................... 31
3.1.1 Resíduos ............................................................................................................................................... 31
3.1.2 Análise Imediata da Biomassa In natura ...................................................................................... 31
3.1.3 Poder Calorífico .................................................................................................................................. 33
3.3 REGRAS HEURÍSTICAS E FLUXOGRAMA-BASE ........................................................................................ 34
3.4 MÉTODO EVOLUTIVO...................................................................................................................................... 34
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................................................... 35
4.1 ROTAS TECNOLÓGICAS E ÁRVORE DE ESTADOS .................................................................................... 35
4.1.1 Subsistema de corte/despolpa ........................................................................................................ 36
4.1.2 Subsistema de Redução de tamanho ............................................................................................ 36
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4.1.3 Subsistema de Secagem .................................................................................................................. 38
4.1.4 Subsistema de Compactação .......................................................................................................... 41
4.1.5 Subsistema de Reação de Combustão ......................................................................................... 44
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA .............................................................................................................. 46
4.3 MÉTODO HEURÍSTICO E FLUXOGRAMA-BASE ......................................................................................... 48
4.3.1 Subsistema de Corte/Despolpa ...................................................................................................... 48
4.3.2 Subsistema de Redução de Tamanho ........................................................................................... 49
4.3.3 Subsistema de Secagem .................................................................................................................. 51
4.3.4 Subsistema de Compactação .......................................................................................................... 53
4.3.5 Subsistema de Combustão .............................................................................................................. 54
4.3.6 Fluxograma Base ................................................................................................................................ 60
5. CONCLUSÕES .................................................................................................................................................... 60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................................... 62
APÊNDICE A ............................................................................................................................................................ 66
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Pré-tratamento da biomassa e Conversão Energética.
Figura 2 – Valores aproximados dos componentes do fruto do cacau.
Figura 3 – Processamento do fruto do cacau até o líquor de cacau.
Figura 4 – Principais Rotas Tecnológicas.
Figura 5 – O comportamento de uma pequena partícula durante as fases
do processo de combustão.
Figura 6 – Rota de Combustão Direta da casca do cacau.
Figura 7 – Alternativas de corte/despolpa do fruto do cacau.
Figura 8 – Principais Tecnologias de redução de tamanho da biomassa
do cacau.
Figura 9 – Alternativas de Secagem da biomassa do cacau.
Figura 10 – Alternativas para compactação biomassa de cacau.
Figura 11 – Fatores críticos para um projeto de combustor.
Figura 12 – Principais Tecnologias de combustão de biomassa.
Figura 13 – Principais Alternativas de tecnologias de Combustão de
Biomassa Estados.
Figura 14 – Cultivares de cacau (a) Catongo (b) Comum (c) TSH1188
(d) CCN51 (e) Casca do cacau (f) cacau aberto.
12
Figura 15 – Árvore de Estados da produção de energia a partir da
biomassa do cacau.
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LISTA DE QUADROS
Quadro 2: Critérios de classificação de secadores Quadro 3. Classificação de secadores quanto a característica do material.
Quadro 4. Vantagens e desvantagens das alternativas de corte e despolpa do fruto do cacau Quadro 6. Vantagens e desvantagens dos principais secadores para biomassa
Quadro 7 - Comparação entre as diferentes tecnologias de compactação
Quadro 8 – Granulometria do combustível adequada a tecnologia de combustão
Quadro 9.- Comparação entre tecnologias de combustão de biomassa.
Quadro 10. Comparação entre as tecnologias de Leito Fluidizado para a Combustão de Biomassa
Quadro 11. Principais características da tecnologia de Combustão em Suspensão.
Quadro 12 – Comparativo entre Tecnologias de Combustão
Quadro 13 – Comparativo entre Tecnologias de Combustão mais relevantes na União Européia
14
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1. INTRODUÇÃO
A dependência por energia e a crescente preocupação com os impactos sociais,
econômicos e ambientais associados ao uso desse recurso, estimula a busca por
fontes alternativas de energia. Segundo dados da Agência Internacional de energia, a
demanda por energia no mundo será 50% maior em 2035, se não houver alterações
nas políticas governamentais. A instabilidade do petróleo e a necessidade urgente de
redução da emissão de gases promotores do efeito estufa abrem espaço para o
aproveitamento da biomassa.
Dentre as biomassas com potencial de utilização, destaca-se a biomassa residual,
disponíveis em grandes quantidades e custo baixo. O aproveitamento energético dos
resíduos pode resolver outro problema existente, de destinação inadequada desses
resíduos gerados pela sociedade.
Entretanto a heterogeneidade da biomassa residual dificulta a seleção de técnicas de
aproveitamento energético condizentes com o resíduo avaliado. Essa característica
permite a adequação de múltiplas possibilidades de tecnologias químicas para o
aproveitamento de um resíduo em específico (BATISTA, 2014).
O desenvolvimento de tecnologias mais eficientes quanto à conversão energética a
partir da biomassa é outro desafio a ser superado. Há a necessidade de processos
mais eficientes para produções em pequena escala, imprescindíveis para o adequado
aproveitamento de resíduos agrícolas, principalmente nas pequenas propriedades não
ligadas à rede elétrica (COELHO, 1999).
A cadeia do cacau é um grande exemplo de fonte geradora de resíduos em grande
volume, os quais são subaproveitados. Novas tecnologias têm sido estimuladas para
utilização e redução desses resíduos, a fim de que o cacau possa ser aproveitado
integralmente (GONZALES et al., 2013).
Um desses resíduos é casca do fruto do cacau, que após o corte do fruto, é deixada
normalmente nas plantações, deteriorando-se com a ação das intempéries, exigindo
gastos para o seu tratamento profilático com fungicidas (MENDES, 2000). Além disso,
o potássio contido na casca pode ser liberado em excesso para solo, causando um
desequilíbrio nutricional para a lavoura (GLOBO RURAL, 2015). A produção de energia
a partir desse resíduo pode evitar todos esses problemas.
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As potencialidades de aproveitamento da casca do fruto têm sido, nos últimos anos,
estudadas por diversos pesquisadores, conforme pode-se observar na Tabela 1.
Tabela 1 - Pesquisas sobre aproveitamento dos resíduos do beneficiamento do cacau
Referência Objetivo Processo Foco
Pereira (2013) Energia Combustão Análise de Processos
Berbet (1972); Vriesmann et al.
(2011)
Pectinas Extração química Análise de Processos
Chepote et al (1990); Sodré et al.
(2012)
Fertilizantes Compostagem Análise de Processos
Agyeman; Oldham (1986) Caracterização da
Biomassa
Syamsiro el al. (2011) Energia Combustão /
Carbonização
Figueira et al. (1993) Gomas
Abiola (1991); Amorim (2011);
Aregheore 2002; Donkoh et al.
(1991); MARCEL et al. (2011)
Alimentacao
animal
Análise de Processos
Vale salientar que a abordagem do atual estudo se diferencia da maioria dos estudos
encontrados na literatura, por realizar a Síntese de Processos na busca da estrutura de
processo que demonstre o melhor desempenho possível. Existem poucos trabalhos
que possuem essa mesma abordagem, como o do pesquisador Batista (2014).
1.1 OBJETIVO
O presente trabalho visa realizar a síntese tecnológica e estrutural do
processo de conversão energética a partir da biomassa do cacau. Assim, pretende-se,
obter o fluxograma próximo ao ótimo, que maximize o rendimento energético, via rotas
termoquímicas, sob a ótica da Engenharia de Processos.
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1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos serão listados a seguir, na forma de etapas,
visando alcançar o objetivo deste trabalho. Tais objetivos são:
- quantificar os resíduos do beneficiamento do cacau;
- selecionar as rotas tecnológicas para obtenção de energia;
- elaborar os fluxogramas plausíveis e organizá-los na forma de árvore de
estados;
- caracterizar quimicamente a biomassa;
- realizar ensaios de secagem e combustão do resíduo selecionado;
- aplicar os métodos heurístico e evolutivo no processo de geração
energética.
Pretende-se com este estudo consolidar o potencial de conversão
energética a partir da biomassa formada por resíduos mais promissores da cadeia do
cacau e estimular o desenvolvimento e aplicação de tecnologias mais eficientes para o
aproveitamento energético a partir de biomassa. Além disso, as técnicas de Síntese e
Otimização Estrutural de Processos utilizadas nesta pesquisa podem contribuir para
futuros estudos de conversão energética de outras biomassas.
17
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo descreve a importância da cadeia do cacau/chocolate e
quantifica a geração de biomassa. Justifica-se a escolha das metodologias de análise
para a caracterização da biomassa. São descritas as principais rotas tecnológicas de
conversão energética e as técnicas de otimização da Engenharia de Processos.
2.1 A IMPORTÂNCIA DA CADEIA DO CACAU/CHOCOLATES
O cacaueiro, planta originária da região amazônica, de onde se obtém o
cacau e pertencente à família Esterculiaceae, gênero theobroma, espécie Theobroma
cacau (EFRAIM, 2010). Essa denominação científica significa “manjar dos deuses”. Era
conhecido por civilizações astecas e maias como cacahualt, considerado sagrado e
possuía alto valor de troca, servindo inclusive para o pagamento de impostos. São
reconhecidos três grupos botânicos do cacau, o Forasteiro Amazônico, Crioulo e o
Trinitário, sendo o primeiro cultivado no Brasil (CEPLAC, 2012).
O cacau é produzido em 8,2 milhões de hectares. Mundialmente, a maior
produção foi de 4,3 milhões de toneladas de amêndoas de cacau na safra 2010/2011.
O faturamento anual estimado, em 2012, com o comércio de cacau, foi de US$ 4
bilhões, segundo dados da International Coffee Cocoa Organization (ICCO, 2012). No
entanto, vale ressaltar que o preço médio do cacau na bolsa de Nova York, em 2010,
para o contrato com entrega em maio de 2011, foi de US$ 2.942 por tonelada, o que
nos leva a crer em cifras do comércio mundial de amêndoas de cacau de
aproximadamente US$12,5 bilhões (MARQUES, 2015).
O mercado global de chocolates, maior demandante dos ingredientes de
cacau, alcançou receitas de US$ 117 bilhões em 2014, segundo a consultoria KPMG
(2014).
A base dessa cadeia é composta em sua maioria por agricultores
familiares. Cerca de 50 mil cacauicultores produzem todo o cacau do Brasil, de acordo
com os dados da Comissão Executiva do Plano da Lavoura Cacaueira (CEPLAC),
divulgados no Anuário do Cacau 2012. Em termos mundiais, cinco a seis milhões de
agricultores, ou 14 milhões de pessoas, vivem do cacau, muitas vezes como única
18
fonte renda. Ou seja, 90% da produção mundial são cultivados em pequenas
propriedades familiares. Apenas 5% da produção mundial são cultivados em áreas de
40 hectares ou mais (DELFI CACAU BRASIL, 2011).
Ainda de acordo com a CEPLAC (2012) a cacauicultura além de gerar
empregos intensivamente e promover o aumento de renda, contribui para a
conservação ambiental, preservando a biodiversidade e possibilitando o cultivo na
forma de sistemas agroflorestais, ou seja, a combinação da cultura do cacau com
outras espécies vegetais, como a seringueira, essências florestais e fruteiras.
A descoberta de novos usos e de novos mercados para o cacau
brasileiro, além do chocolate, está permitindo maior agregação de valor à cadeia do
cacau. O Quadro 1 apresenta outros produtos que estão sendo produzidos a partir do
fruto do cacau. (ANUÁRIO BRASILEIRO DO CACAU, 2012).
Quadro 1 – Rendimentos normais das operações de utilização de subprodutos de cacau com referência a uma produtividade anual de 750 Kg do produto seco por hectare.
Produto e Subproduto Rendimento por hectare
Amêndoas Secas 750 kg
Semente fresca 1875 kg
Mel de cacau 200 litros
Geléia 150kg
Destilado 25 litros
Polpa 300 a 400 litros
Suco congelado 300 a 400 litros
Néctar 600 a 800 litros
Geleiado 200 a 300 litros
Fonte: Anuário Brasileiro do Cacau (2012)
Esta expansão desta cadeia trouxe um impacto negativo, relativo ao
volume de resíduos da casca do cacau que devem ser tratados, conforme discutido na
próxima subseção
19
2.2 GERAÇÃO DE BIOMASSA NA CADEIA DO CACAU
Do ponto de vista energético, biomassa é todo recurso renovável oriundo
de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção
de energia. As principais vantagens do uso da biomassa para produção de energia são
o baixo custo produtivo e operacional; permitir uma destinação adequada para os
resíduos em questão; alta densidade energética; facilidades de armazenamento e
transporte; e principalmente ser uma forma de aproveitamento bem menos poluente do
que o uso de outras fontes de energia. (ATLAS DE BIOENERGIA ESPÍRITO SANTO,
2013).
A biomassa pode ser definida como toda matéria orgânica de origem
animal ou vegetal, formada pelo processo de fotossíntese. Ao contrário dos
combustíveis fósseis, a biomassa é renovável e não contribui para o acúmulo de
dióxido de carbono (CO2) na atmosfera terrestre, ou seja, todo o CO2 liberado durante
o uso da biomassa é absorvido novamente no processo de fotossíntese para formação
da mesma (MAcKENDRY, 2002).
Nos países em desenvolvimento, a biomassa apresenta-se como uma
importante fonte de energia, principalmente em áreas rurais que a utilização da
biomassa é por vezes, a forma mais viável de produzir calor para a secagem de
produtos agrícolas, e ou, gerar eletricidade. O uso da biomassa na geração de calor e
eletricidade a partir de sistemas térmicos e elétricos vem crescendo continuamente ao
longo da última década, incentivado pelas pressões ambientais, no sentido de reduzir
as emissões de gases de efeito estufa e aumentar o uso de fontes renováveis.
A disponibilidade de resíduos provenientes do pré-processamento de
produtos agrícolas como café, arroz e cacau, entre outras culturas, é grande.
(MAGALHÃES et al, 2007). Segundo Silva Neto et al. (2001), quanto a cultura do
cacau, a casca é a maior fração do fruto (80%), sendo o restante (20%), referente às
sementes, as quais são transformadas em amêndoas (10%) e destinadas na forma de
nibs (8%) para a fabricação de chocolates. Assim uma fração de 92% do fruto não tem
destino comercial efetivo, conforme mostrado na Figura 2.
20
Fruto (100%) 500g
Casca(80%) 400g
Sementes Frescas (20%) 100g
Amêndoas(10%) 50g
Polpa(10%) 50g
Nibs(8%) 40g
Testa(1,5%) 7,5g
Figura 2 – Valores aproximados dos componentes do fruto do cacau Fonte: Adaptado de Silva Neto et al, 2001.
Como mostrado na Figura 3, no início do processo são geradas as cascas
do fruto, que permanecem nas áreas de cultivo na maioria dos produtores pelo mundo.
Em alguns processos mais mecanizados a casca pode ser gerada numa área de pré-
processamento, através de equipamentos de corte. Na etapa de torrefação se
destacam em termos de quantidade os resíduos da casca da amêndoa do cacau. Nas
etapas do processo referente à fabricação de chocolates, os resíduos estão associados
principalmente à ineficiência de processo e procedimentos rotineiros e obrigatórios,
como o uso de amostras para avaliação sensorial, avaliação de vida de prateleira e
contraprovas.
Figura 3 – Processamento do fruto do cacau até o líquor de cacau . Fonte: Adpatado de Beckett 2009
Além disso, há uma grande expectativa de que nos próximos anos
ocorrerá um aumento na geração desses resíduos. Dados da organização Internacional
do Cacau (OICC) apontam que o volume de moagem de amêndoas de cacau vem
aumentando em torno de 5% ao ano. O crescimento mundial na produção de cacau
verificado nos últimos anos é puxado pela demanda maior. A procura pelo produto é
tamanha que na safra 2009/10, por exemplo, ela foi maior do que a produção.
(ANUÁRIO BRASILEIRO DO CACAU, 2012).
Dois dos países mais populosos do mundo, Índia e China apresentam
consumo atual de chocolates de apenas 0,7 e 1,2 kg/pessoa respectivamente, muito
abaixo ainda comparado a países de consumo intermediário. Em 2016, 340 milhões de
21
chineses se tornarão classe média, ou seja, consumidores potenciais de chocolate
(KPMG, 2014).
No Brasil, terceiro maior consumidor de chocolates no mundo e sexto
maior produtor de cacau (ABICAB), há um projeto de Lei em discussão no Senado
Federal. Esse projeto estabelece um percentual mínimo de 35% de cacau nos
chocolates consumidos no país, seguindo um padrão internacional e obriga a
rotulagem do percentual de cacau contido nos produtos de chocolate. (MERCADO DO
CACAU, 2015).
2.3 PROPRIEDADES ENERGÉTICAS DA BIOMASSA
O conhecimento das características da biomassa é fundamental na
seleção da tecnologia mais adequada na conversão energética. Basu (2010) afirma
que o dimensionamento de sistemas de conversão energética a partir de biomassa
depende da sua composição e do seu conteúdo energético, o qual é compreendido a
partir das propriedades físicas, da análise imediata e da composição elementar da
biomassa.
Para o aproveitamento racional e adequado dos resíduos florestais, faz-se
necessário o estudo de suas propriedades energéticas (PROTÁSIO, 2011).
Conforme Gavrilescu (2008) as características físicas e químicas dos
resíduos podem influenciar no rendimento e na manutenção dos equipamentos que
realizam os processos de combustão.
Este resíduo que deve ser gerado em maior volume nos próximos anos
pode ser aproveitado, principalmente por suas propriedades energéticas, que serão
discutidas a seguir.
2.3.1 Densidade
A densidade é uma das principais características, pois ela define a
logística a ser tratada: o transporte e o armazenamento (NOGUEIRA, 2007).
Define-se densidade como a razão entre a massa específica da biomassa
pela massa específica da água (ρH2O) na condição padrão (25°C e 100 kPa), ou seja
1000 kg/m3 como pode ser observado na Equação 1 (NOGUEIRA; RENDEIRO, 2008).
22
𝑑 = 𝜌
𝜌𝐻2𝑂 (1)
2.3.2 Análise Imediata
Trata-se de quantificar os teores de umidade, materiais voláteis e carbono
fixo presentes na biomassa.
O Teor de Umidade, dado em porcentagem (%), é o fator que exerce
maior influência sobre a queima de materiais combustíveis (SOUZA, 2010). O teor de
umidade presente na Biomassa pode interferir em outras propriedades, como o Poder
Calorífico Inferior (PCI) que está intimamente ligado, pois este decresce com o
aumento da umidade (NOGUEIRA, 2007 e CALEGARI et al 2005).
Conforme Walker (2010), a presença de água da madeira ocasiona a
redução do poder calorífico, porque parte do calor gerado é consumido na evaporação
da água e aquecimento do vapor até a mesma temperatura dos demais gases.
Além disso, variações no teor de umidade dificultam o controle da
carbonização e da combustão. De modo geral, a queima de biomassa com teores de
umidade acima de 100 – 120% base seca e 50 – 55% base úmida requer a
suplementação com outros combustíveis, como gás natural ou óleo combustível.
Colodette et al (2013) complementa que o a combustão será incompleta e,
provavelmente, haverá aumento na emissão de poluentes, dependendo da eficiência
do queimador.
Conforme Vieira (2012), A biomassa com alto teor de voláteis apresenta
maior facilidade de incendiar e queimar, porém o processo de combustão em geral
pode ser afetado, já que existe dificuldade de controle do mesmo.
De acordo com Gabardo et al. (2011), quanto maior a concentração de
carbono no resíduo, maior o poder calorífico dos materiais. A quantidade de calor gerado
pelo resíduo é estabelecida pelo percentual de carbono fixo, sendo que quanto maior este
valor, mais lentamente o combustível irá queimar (STURION et al., 1988).
23
2.3.3 Teor de Cinzas
As cinzas são resíduos inorgânicos remanescentes da queima da matéria
orgânica, sem resíduo de carvão. São consideradas como medida geral de qualidade e
frequentemente são utilizadas como critério para definir potencialidade de um
combustível para uma determinada aplicação. A cinza é constituída principalmente de
grandes quantidades de K, Na, Ca e Mg e pequenas quantidades de Al, Fe, Cu, Mn e
Zn (CHAVES et al, 2004). Segundo Reed e Das (1988) quando o teor de cinzas supera
5%, em biomassas, pode causar sérios prejuízos aos equipamentos usados para
conversão energética.
Outra questão que deve ser observada é o ponto fusão das cinzas, pois
processos de combustão com temperaturas maiores do amolecimento podem propiciar
a aglomeração de material particulado denominado ― “sínter”, ou a fusão da cinza ―
“slagging”, que geralmente inviabilizam a continuidade do processo ou reduzem a
eficiência da troca de calor no equipamento (NOGUEIRA; RENDEIRO, 2008).
2.3.3 Poder Calorífico
O poder calorífico de um material é expresso pelo conteúdo de energia
que é liberada quando o material é queimado no ar. Divide-se em Poder Calorífico
Superior e Inferior ( MENEZES, 2013).
Quirino et al. (2011) define o Poder Calorífico Superior – PCS, como a
quantidade de calorias liberadas por um material em sua combustão completa,
expresso em calorias por grama (cal/g) ou quilocaloria/quilograma (kcal/kg). Quanto
maior for este parâmetro, maior será a energia contida no combustível (CARVALHO
JÚNIOR, 2010). (rescrever)
A partir do PCS, obtém-se o Poder Calorífico Inferior do material.
Medeiros e Cardoso (2010) definem o PCI como a quantidade de calor necessária para
produzir um quilo de combustível, através da combustão deste com o excesso de ar e
gases de descarga, resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando sua
condensação.
Além disso, de acordo com Magalhães (2007) afirma que o poder
calorífico é a característica mais importante para as biomassas quanto ao potencial
24
energético. Essa característica é dependente do teor de água, material volátil e
quantidade de carbono fixo presentes na biomassa.
O poder calorífico pode ser obtido principalmente por bomba calorimétrica
ou por meio de estimação a partir dos dados obtidos na análise imediata da biomassa.
2.4 PRINCIPAIS ROTAS TECNOLÓGICAS PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA
Existem diversas rotas tecnológicas para o aproveitamento da energia
contida na biomassa. A seleção da rota mais adequada ocorre conforme o tipo de
produto energético desejado e as características da biomassa. A Figura XX apresenta
algumas das principais rotas estudadas no meio acadêmico e aplicadas no mercado
energético.
Resíduos Orgânicos
Agrícolas
Fontes de Biomassa
Industriais
Urbanos
Combustão Direta
Pirólise
Biodigestão
Gaseificação
Processos de Conversão Produto Energético
Calor
Carvão
Alcatrão (Bio-óleo)
Gás-comb.
Biogás
Figura 4 - Principais Rotas Tecnológicas Fonte: Adaptado do Atlas de Bioenergia do Estado do Espírito Santo, 2013.
2.4.1 Combustão Direta
Combustão direta é a transformação da energia química dos combustíveis
em calor, por meio das reações dos elementos constituintes com o oxigênio fornecido.
Ela geralmente ocorre em fogões (cocção de alimentos), fornos (metalurgia) e caldeiras
(geração de vapor). (ANEEL, 2005). É uma reação química de oxidação entre um
25
combustível (biomassa, por exemplo) e um comburente (geralmente o oxigênio), de
forma autossustentável, com liberação de luz, calor, fumaça e gases (Carneiro et al.,
2013).
Conforme Colodette, Santos e Queiroz (2013) necessário haver
disponibilidade dos elementos fundamentais à reação: o combustível, o comburente e a
temperatura de ignição. Nesse sentido a oxidação ocorrerá em função da temperatura
de ignição, da turbulência do comburente e do tempo disponível para combustão,
chamados de três T’s (temperatura, turbulência e tempo).
Os combustíveis sólidos, como a lenha, a serragem e o bagaço de cana
são formados de carbono (c), hidrogênio (H2), oxigênio (O2), enxofre (S), água (H2O) e
cinzas (NOGUEIRA; LORA, 2003). Conforme Menezes (3013), a reação de combustão
de um combustível com ar pode ser apresentada pela seguinte forma:
Biomassa + ar = CO2 + SO2 + H2O + N2 + O2 + CO + H2 + CH2 +
fuligem + cinzas
Onde:
1 – Produtos da oxidação completa: CO2, SO2, H2O. O conteúdo de
enxofre da biomassa é sempre baixo, sendo seu valor desprezível;
2 – Ar em excesso (N2 + O2) e eventualmente a umidade do combustível
e do ar;
3 – Produtos gasosos (CO + H2 + CH4) e sólidos (fuligem) de combustão
incompleta;
4 – Fração mineral não combustível da biomassa (cinzas).
Loo & Koppejan (2007) afirmam que o processo de combustão de
biomassa envolve aspectos físico-químicos de alta complexidade. A natureza do
processo de combustão depende das propriedades do combustível e da aplicação da
combustão. O processo de combustão se divide em vários processos: secagem,
pirólise, gaseificação e combustão. Conforme Macedo (2006) durante esses processos
ocorrem três etapas qualitativamente: (1) evaporação da água, (2) queima dos
compostos voláteis e (3) queima do carbono fixo.
Considerando apenas uma partícula pequena da biomassa, a Figura XX
representa essas etapas. Entretanto para partículas maiores ou dependendo do
26
abastecimento do combustor (contínuo ou em batelada) pode haver sobreposição
dessas etapas (BAXTER, 2000).
0 0.5 1.0 1.5 2.0
Evaporação de Água
Volatilização
Oxidação do Carbono
Tempo (s)
Volu
me
(mm
3)
0,2
0,4
0,6
Figura 5 – O comportamento de uma pequena partícula durante as fases do processo de
combustão. Fonte: Adaptado de Baxter (2000).
2.4.2 Pirólise
Basu (2010) afirma que Pirólise é a decomposição termoquímica de
biomassa em vários produtos úteis, na ausência total de agentes oxidantes ou em
suprimento limitado, de forma a não permitir que ocorra a gaseificação. Durante o
processo, moléculas complexas de hidrocarbonetos são quebradas em moléculas mais
simples de natureza sólida (carvão), líquida (chamado de bio-óleo) e gasosa. A
quantidade relativa desses produtos é dependente de vários fatores como o designer
do pirolizador, das características físico-químicas da biomassa, da taxa de
aquecimento, da temperatura final (temperatura de pirólise) e do tempo de residência
na zona da reação.
27
2.4.3 Gaseificação
Basu (2010) também afirma que gaseificação é a conversão de materiais
sólidos ou líquidos em um combustível de natureza gasosa ou em compostos químicos
que podem ser queimados para liberação de energia ou usados para produção de
outros compostos químicos de valor agregado. Quimicamente, o processo de
gaseificação fornece o hidrogênio aos materiais e retira o elemento carbono, gerando
produtos de natureza gasosa com alto teor de hidrogênio, em relação ao carbono. O
processo típico da gaseificação da biomassa incluem as etapas: secagem, pirólise,
combustão parcial de alguns gases, vapores e carvão e finalmente a gaseificação dos
produtos decompostos.
2.4.4 Biodigestão
A digestão anaeróbia é um processo biológico que ocorre na ausência de
oxigênio livre, onde é feita uma transformação dos compostos orgânicos complexos
(carboidratos, proteínas e lipídeos) em outras substancias simples, chamadas de
biogás (PUKASIEWICZ, 2010), e este pode ser utilizado como combustíveis devido às
elevadas concentrações de metano, usualmente na faixa de 55% a 70% (PINTO,
1999). De forma geral, vários tipos de resíduos, de origem orgânica, podem ser
degradados por digestão anaeróbia com a finalidade de remover a carga poluente e
aproveitar o biogás produzido (ZANETTE, 2006).
2.5 ENGENHARIA DE PROCESSOS
A principal contribuição da Engenharia de Processos é possibilitar a
resolução de projetos de processos integrados. Muitas das vezes, na resolução desses
projetos chega-se há um problema complexo, com multiplicidade de soluções. A
28
Engenharia de Processos aplica conhecimentos de diversos campos, como Engenharia
de Sistemas e Inteligência Artificial facilitando a resolução desses projetos complexos.
Preconiza-se a decomposição do projeto (problema) em subproblemas: tecnológico
(definição das rotas tecnológicas), otimização estrutural (síntese de processos) e
otimização paramétrica (análise de processos) para facilitar a busca da solução
próxima à ótima. Como o objetivo de orientar a resolução representa-se o problema por
meio de árvores de estados, ou seja, representações dos fluxogramas alternativos para
cada rota química estudada. Na árvore de estados cada nível corresponde a um
subsistema ou etapa do processo (PERLINGEIRO, 2005).
Durante a etapa de síntese de processos são geradas todas as
configurações plausíveis de acordo com a finalidade do projeto ou processo em estudo.
Enquanto na etapa de análise de processos determina-se aquela configuração de
processo que apresenta o melhor desempenho. (PERLINGEIRO, 2005).
Desse modo a síntese de processos busca propor um novo e melhor
caminho para o dimensionamento de um processo, considerando a experiência dos
técnicos envolvidos e aprendizados com projetos anteriores. Esta experiência
acumulada é transformada em regras heurísticas, ou seja, instruções práticas e
sequenciais criadas para orientar as decisões técnicas do projeto. É uma etapa que
exige criatividade e trabalho em equipe (ARRUDA, 1999). Conforme Carvalho (1995) a
aplicabilidade dos métodos heurísticos é resultado da simplicidade e da alta
capacidade de selecionar as melhores sequências de tecnologias diante da
multiplicidade de configurações geradas.
De acordo com Perlingeiro (2005), a grande vantagem do uso das regras
heurísticas é a rapidez na determinação da solução final. Porém vale salientar que não
é necessariamente a solução ótima para o projeto. É um bom ponto de partida para a
busca de uma solução melhor. A identificação da solução ótima (heurística) é definida
por uma função objetivo ou um critério, como lucro ou custo de cada etapa. Outros
critérios também podem ser avaliados simultaneamente, como segurança ou eficiência
energética.
A fim de aprimorar progressivamente a solução heurística encontrada, a
síntese de processo aplica o método evolutivo. De acordo com as regras evolutivas são
indicados os fluxogramas vizinhos ao fluxograma heurístico. Em seguida, esses
fluxogramas vizinhos são otimizados e o fluxograma de menor custo (ou de acordo com
29
a função objetivo) é escolhido como fluxograma-base. Esse processo é repetido até
que não se encontre mais fluxogramas de menor custo.
Há uma escassez de estudos e pesquisas focados no aproveitamento
energético dos resíduos da Cadeia do cacau na literatura.
Os recentes progressos no campo da bioenergia ainda estão
concentrados principalmente no beneficiamento da cana-de-açúcar e das espécies
florestais. Não existem tecnologias desenvolvidas conforme a especificidade dos
resíduos gerados e da dinâmica da Cadeia do Cacau/chocolates.
Sob a ótica da Engenharia de Processos pretende-se apresentar um
estudo sistematizado que possa contribuir com o desenvolvimento de tecnologias de
aproveitamento energético da biomassa do cacau, agregar valor a cultura e reduzir os
impactos ambientais.
30
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão apresentados os materiais necessários e
metodologias utilizadas para a Síntese de Processo da produção de energia elétrica a
partir da casca do cacau. Assim a metodologia foi baseada em seis etapas principais:
(i) definição das rotas tecnológicas para obtenção de energia elétrica e sua
representação por árvore de estados; (ii) caracterização físico-química e energética da
biomassa do cacau; (iii) ensaio de combustão da biomassa; (iv) estudo de cinética de
secagem da biomassa; (v) construção de regras heurísticas que permitam selecionar,
a definição do fluxograma-base (ótimo heurístico) para cada rota estudada; (vi)
aplicação do método evolutivo para identificar a configuração de processo que
apresenta menor custo inicial.
3.1 ROTAS TECNOLÓGICAS: ÁRVORE DE ESTADO
Dentre as diversas rotas tecnológicas possíveis (química, termoquímica e
bioquímica) para o aproveitamento energético da biomassa do cacau foram
selecionadas para estudo as rotas de Combustão Direta, Pirólise, Gaseificação e
Biodigestão.
Com a finalidade de fazer uma análise focada nas operações de pré-
tratamento da biomassa e de conversão energética o presente trabalho não
contemplou as questões ligadas à logística e transporte da biomassa, caso o processo
de aproveitamento energético não seja instalado próximo ao local de geração da
biomassa.
Estrategicamente o problema de síntese de produção de energia elétrica
a partir da biomassa do cacau foi decomposto em subsistemas: a) redução de
tamanho; b) secagem; c) pré-tratamento químico; d) reação de combustão; e) reação
de pirólise; f) reação de biodigestão; g) reação de gaseificação; h) geração de energia
a combustíveis; i) geração de energia a vapor. Desse modo, durante a etapa de síntese
analisou-se a necessidade de cada um desses subsistemas para cada rota tecnológica
definida.
Após a sistematização as rotas tecnológicas foram representadas em
árvore de estados, com a finalidade de organizar todos os elementos (equipamentos)
envolvidos no problema e facilitar a resolução.
31
Buscando otimizar o consumo energético das rotas tecnológicas foi
inserido um subsistema de integração energética após alguns subsistemas específicos:
1) Secagem; 2) Reação de Combustão; 3) Reação de Gaseificação; 4) Reação de
Pirólise.
Além disso, caso o processo de aproveitamento energético seja instalado
próximo ao local do beneficiamento tradicional do cacau, focado na fabricação de
chocolates, é desejável uma integração entre esses processos. Desse modo, buscou-
se também maximizar a produção dos ingredientes de cacau para a fabricação de
chocolates quanto à produtividade.
3.2 PROPRIEDADES ENERGÉTICAS DA BIOMASSA
As análises foram realizadas nos laboratórios do Programa de Pós-
Graduação em Energia da Universidade Federal do Espírito Santo/ CEUNES, campus
de São Mateus.
3.1.1 Resíduos
As cascas utilizadas neste experimento são provenientes de quatro
variedades de cacau (TSH 1188, Comum, Catongo e CCN 51) fornecidas pela
CEPLAC – Comissão Executiva do Plano da Lavoura Cacaueira, colhidos em fazenda
experimental localizada na cidade de Linhares – ES.
3.1.2 Análise Imediata da Biomassa In natura
- Teor de Umidade
Para a determinação da Análise Imediata da biomassa in natura, seguiu-se a
metodologia das Normas NBR 8112 (Carvão Vegetal – Análise Imediata) e E871, citada
por Menezes (2013). Obteve-se o peso úmido de cada resíduo através de uma balança
analítica de precisão. As amostras foram introduzidas em estufa a 105°C por 24 horas ou
até que a massa ficasse constante, obtendo-se a massa seca. O teor de umidade foi obtido
pela diferença entre os pesos da amostra, antes e logo após ser submetida à secagem,
através da Equação 2:
32
%𝑋𝐵𝑈 =𝑚1−𝑚2
𝑚1. 100 (2)
%𝑋𝐵𝑈 = Teor de umidade da biomassa, em porcentagem (%);
𝑚1 = Massa inicial da biomassa, em gramas (g);
𝑚2 = Massa final da biomassa, em gramas (g).
Onde: m1 é a massa inicial (gramas) da biomassa e m2 é a massa final (gramas).
- Teor de Voláteis
Após a determinação do teor de umidade, a mesma matéria de biomassa
foi introduzida em uma mufla, de marca Sppencer a 850 °C por sete minutos, conforme
a metodologia das Normas NBR 8112 e E872. Depois disto a amostra foi então
colocada em um dessecador para resfriamento e posterior pesagem.
O teor de voláteis foi determinado pela Equação (3) a seguir
%𝑇𝑣 =𝑚2−𝑚3
𝑚2. 100 (3)
%𝑇𝑣 = Teor de voláteis da biomassa, em base seca, em porcentagem (%);
𝑚2 = Massa final da análise de umidade, em gramas (g);
𝑚3 = Massa final após a mufla, em gramas (g).
- Teor de Cinzas
A amostra (biomassa) já sem umidade e voláteis foi colocada em mufla,
de marca Sppencer a uma temperatura de 710± 10 °C por uma hora (meia hora com a
porta meio aberta e meia hora com a porta da mufla fechada), conforme a metodologia
NBR 8112 e D1102. O teor de cinzas foi calculado utilizando a Equação (4) a seguir:
%𝑇𝑐 =𝑚3−𝑚4
𝑚2. 100 (4)
%𝑇𝑐 = Teor de voláteis da biomassa, em base seca, em porcentagem (%);
𝑚2 = Massa final da análise de umidade, em gramas (g);
𝑚3 = Massa final após a análise de voláteis, em gramas (g).
𝑚4 = Massa final após a análise de cinzas, em gramas (g).
33
- Teor de Carbono Fixo
Esta foi a última análise a ser realizada, conforme a metodologia NBR 8112, obtida por
diferença através da equação, a qual se baseia em:
%𝑇𝑐𝑓 =𝑚3−𝑚4
𝑚2. 100 (5)
%𝑇𝑐𝑓 = Teor de Carbono Fixo, em base seca, em porcentagem (%);
𝑚2 = Massa final após análise de umidade, em gramas (g);
𝑚3 = Massa final após a análise de umidade (g).
3.1.3 Poder Calorífico
Conforme Parikh, Channiwala e Ghosal (2005), o poder calorífico foi
estimado a partir da análise imediata pelas equações (6), (7), (8) com erro absoluto de
3,74%:
𝑃𝐶𝑆 = 84,5104 x (% carbono fixo) + 37,2601 x (% materiais voláteis) − 1,8642 x
(% cinzas) (6)
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 – (600 𝑥 0,09 𝑥 % 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜) (7)
𝑃𝐶𝑈 = (𝑃𝐶𝐼 𝑥 (1 – (0,01 𝑥 % 𝑈𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒))) – (600𝑥 0,01 𝑥 % 𝑈𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒) (8)
Onde:
PCSs, poder calorífico superior, base seca, (kcal/kg)
PCIs, poder calorífico inferior, base seca, (kcal/kg)
PCUu, poder calorífico útil, base úmida, (kcal/kg)
CF, carbono fixo, (%), V, teor de voláteis, (%), A, teor de cinzas, (%)
H, teor de Hidrogênio considerado 5,99 %
U, teor de umidade, (%)
34
3.3 REGRAS HEURÍSTICAS E FLUXOGRAMA-BASE
Foi utilizado o Método Heurístico para a busca do fluxograma-base para
cada rota tecnológica estudada. Desta forma, foram criadas regras heurísticas
específicas para cada subsistema, a partir da análise de livros, teses, dissertações e
artigos publicados referentes ao processamento energético de outras biomassas mais
tradicionais. As regras elaboradas estão relacionadas às características físico-químicas
e energéticas da biomassa e às restrições técnicas dos equipamentos que compõem
os ramos estruturais das árvores de estado. Desse modo foram listadas as vantagens e
desvantagens de cada tecnologia disponível correspondente a cada subsistema das
rotas tecnológicas estudadas.
Assim, utilizando as regras heurísticas desenvolvidas buscou-se analisar
cada ramo da árvore de estado, formado pelos tipos de tecnologias e equipamentos
disponíveis, a fim de chegar ao fluxograma-base, ou seja, a sequência de
equipamentos que maximizam o projeto quanto à função objetivo. Para esse estudo
buscou-se minimizar o custo e maximizar o desempenho dos reatores de combustão
direta, pirólise, gaseificação e biodigestão.
3.4 MÉTODO EVOLUTIVO
A partir da identificação do fluxograma-base pelo método heurístico para
cada rota tecnológica, aplicou-se o Método Evolutivo. Foram identificados os
fluxogramas vizinhos ao fluxograma-base e adotado o fluxograma de menor custo e
melhor desempenho de conversão energética. Esse último passo foi realizado
sucessivamente até quando os fluxogramas vizinhos apresentarem custos superiores
ao novo fluxograma-base adotado. Esse último fluxograma-base é a solução do
problema.
35
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo, são apresentados e discutidos os resultados obtidos
seguindo-se a metodologia proposta para o trabalho. A partir da decomposição do
problema, inicialmente, foram identificadas as rotas tecnológicas a serem estudadas:
Combustão Direta, Pirólise, Gaseificação e Biodigestão. A seguir, para cada rota
tecnológica foram estabelecidos os subsistemas, ou seja, etapas tecnológicas
consideradas necessárias para a efetividade da conversão energética. Posteriormente
cada subsistema foi representado por uma árvore de estado. Os próximos passos
foram a caracterização físico-química e energética da biomassa, a construção de
regras heurísticas e a definição do Fluxograma-base para cada rota tecnológica. Para
aprimorar a solução heurística foi aplicado o método Evolutivo.
4.1 ROTAS TECNOLÓGICAS E ÁRVORE DE ESTADOS
Conforme Loo e Koppejan (2008), atualmente a Combustão da biomassa
é a principal rota tecnológica para produção de energia, responsável por mais de 90%
da contribuição global. O designer de qualquer sistema de combustão de biomassa é
determinado principalmente pelas características do combustível que será utilizado,
legislação ambiente local, os custos e o desempenho do equipamento disponível ou
necessário.
Além disso, a utilização direta da biomassa agrícola para conversão
energética é dificultada, devido às suas características físicas, como forma e tamanhos
irregulares e densidade energética baixa. São necessários alguns processos de
beneficiamento para melhorar as características originais dos materiais de biomassa
quanto ao aspecto térmico e físico. Dentre esses processos, destacam-se a redução de
tamanho, secagem e compactação. (SUGATHAPALA, 2013)
Assim a rota de combustão direta da casca do cacau foi decomposta em
algumas etapas, chamadas de subsistemas, conforme mostrado na Figura 6. Sendo
que os subsistemas de secagem e do reator de combustão podem possuir integração
energética. A ávore foi composta em 8 subsistemas e 8400 ramos.
36
Casca do Cacau
Redução de Tamanho
Secagem CompactaçãoReator de
Combustão
Geração de Energia e
Vapor
Energia Elétrica
Integração Energética
Integração Energética
Figura 6. Rota de Combustão Direta da Casca do Cacau. Fonte: o autor.
4.1.1 Subsistema de corte/despolpa
Buscando a integração com o processamento do cacau, foi avaliado as
alternativas de obtenção do resíduo selecionado (casca do fruto) após a colheita do
cacau. O corte e despolpa do fruto pode ser realizado de duas formas: 1) manual ou 2)
mecanizada, conforme apresentado na Figura 7.
Corte/Despolpa
Manual
Mecânica
Figura 7. Alternativas de corte/despolpa do fruto do cacau. Fonte: o autor
4.1.2 Subsistema de Redução de tamanho
A Redução de Tamanho de materiais sólidos é muito utilizada em
diversos processos quando se pretende aumentar a relação superfície/volume,
aumentando com isso a eficiência de operações posteriores, como extração,
aquecimento, resfriamento, desidratação, homogeneização, etc. Ou quando se deseja
a produção de partículas dentro de especificações de tamanho bem definido.
A trituração ou moagem é considerada muito ineficaz do ponto de vista
energético. Apenas 5% de toda energia elétrica gerada é usada na redução do
tamanho; baseado na energia necessária para criação das novas superfícies, o
37
processo em escala industrial tem eficiência de menor que 1% (RHODES, 2008). A
maior parte se dirige para a deformação desse sólido e a criação de novas linhas de
sensibilidade que pode produzir a ruptura sucessiva dos fragmentos. O resto da
energia se dissipa em forma de calor.
Segundo (Mani, 2005 e Womac 2005) a redução de tamanho da
biomassa oferece as seguintes vantagens:
Facilita o manuseio e a secagem do material;
Inicia a densificação da biomassa;
Facilita o processo de densificação (briquetagem e pelletização);
Reduz os custos de transporte;
Facilita classificação do material através da separação por
tamanho;
Aumenta a área de superfície de reação das partículas de
biomassa, quando há exposição a processos bioquímicos.
Os materiais sólidos podem ser quebrados por várias formas, mas
somente quatro tipos de forças mecânicas são aplicadas pelos equipamentos de
redução de tamanho: (1) Compressão, (2) Impacto, (3) Atrito ou cisalhamento, e (4)
Corte. (Mcabe et al., 1993).
Uma grande variedade de equipamentos é oferecida pelo mercado,
inclusive com uma diversidade muito grande de modelos construtivos e conceitos
funcionais. Esse fato aumenta o desafio na seleção do equipamento mais adequado.
As máquinas que efetuam a fragmentação grosseira são chamadas
de britadores, e as que dão produtos mais finos são chamados de moinhos.
De acordo com o Rhodes (2008) a seleção de equipamento para a
operação de redução de tamanho depende de várias variáveis:
Tipo de força mecânica aplicada;
Tamanho da alimentação;
Propriedades do material;
Modo de operação do equipamento;
Capacidade;
Combinação com outras operações.
Segundo Mil et al (2006) o processo de redução de tamanho de biomassa
pode ser descrito como uma combinação das forças mecânicas de cisalhamento,
38
torção, compressão e fricção do material como as partes ativas do equipamento. São
três resultados distintos da operação de redução de tamanho:
a) Classificação do tamanho da partícula (redução do tamanho
grosseiro e intermediário);
b) Definição da forma das partículas da biomassa;
c) Rompimento das conexões entre os componentes que compõem a
biomassa (ex. componentes celulares)
Os principais tipos de tecnologias de redução de tamanho usadas no
processamento de biomassa são moinhos rotativos: moinho de rolos, moinho de facas,
moinho de discos e moinhos de martelos, conforme Womac et al (2007); Brita et al
(2008); Miu et al (2006).
Discos
Rolos ou Cilindros
Barras
Martelo
Rdução de Tamanho
facas
Figura 8. Principais Tecnologias de redução de tamanho da biomassa do cacau. Fonte: o Autor
4.1.3 Subsistema de Secagem
O uso da secagem do combustível aumenta a eficiência do processo de
combustão direta, aumentando a produção de vapor, reduzindo as necessidades de
força auxiliar e reduzindo as emissões. Ocorre um aumento da temperatura de chama
devido a menor quantidade de água no combustível. Com o aumento da temperatura
de chama o gradiente de temperatura é maior, gerando assim maior transferência de
39
calor numa mesma área de troca. Além disso, com uma temperatura de chama maior,
a combustão da biomassa será mais completa, reduzindo as emissões de monóxido de
carbono e reduzindo a geração de cinzas no combustor. A eficiência térmica total do
processo pode aumentar em 5 a 15%, podendo aumentar a produção de vapor de 50 a
60%. (NREL, 1999)
Mas também há alguns riscos para o processo de combustão com o
aumento da temperatura da chama. Se essa temperatura alcançar o ponto de fusão
das cinzas da biomassa, essas cinzas fundidas podem danificar o equipamento de
combustão. Outra desvantagem é o risco da formação de ácido sulfúrico no combustor,
a partir da condensação do trióxido sulfúrico, formado quando os gases rejeitados
quentes são resfriados abaixo do seu ponto de condensação. (NREL, 1999)
Existem três necessidades para a secagem (LIPTAK, 1998):
1) Uma fonte de calor;
2) O método de remoção da água evaporada;
3) Alguma forma de agitação para expor o novo material a secagem.
Devido à grande variedade de tipos de produtos que devem ser secos por
diferentes métodos, existe também uma variedade de projeto de secadores. Os
critérios usados para se classificar os secadores são muitos, e segundo Strumillo e
Kudra (1986) podem ser assim divididos, conforme Quadro 2:
Quadro 2: Critérios de classificação de secadores.
Critério Tipo Modo de operação Contínuo ou em Batelada Método de suprir o calor Convecção, Condução, Radiação, Infravermelho, Sublimação e
combinação dos métodos Tipo do fluxo do material (condição hidrodinâmica)
Regime estacionário, transiente ou disperso
Tipo do agente de secagem Ar quente, vapor superaquecido, líquidos aquecidos e gases rejeitados
Direção do fluxo de calor e sólidos Co-corrente, contracorrente e fluxo cruzado. Método do fluxo do agente de secagem
Livre ou forçado
Método do carregamento da umidade
Com agente externo de secagem, com gás inerte, com absorção química da umidade.
Tempo de Residência Pequeno ( < 1 min) Médio (1-60 min) Longo (> 60 min)
Pressão no secador Atmosférico ou vácuo Número de estágios Único ou múltiplo
Fonte: Strumillo e Kudra, 1986.
40
Conforme Nonhebel e Moss (1971) os secadores também podem ser classificados
segundo a forma física do material. Essa classificação é apresentada no Quadro 3.
Quadro 3. Classificação de secadores quanto a característica do material. Fonte: Nonhebel e Moss, 1971
Secadores
Material Úmido
Líq
uid
os
Lam
a
Pasta
Mole
/
lod
o
Pré
-
form
ad
o
Pasta
com
pacta
/ M
atr
iz
Gra
nula
r /
Sólid
o
Crista
lino
Fib
roso
Folh
a
Bandeja à vácuo X x x x x x x x
Tambor x x x x
Spray x x x
Bandeja convectiva x x x x x x
Agitado à bandeja x x
Agitado a batelada x
Circulação de ar a batelada
x x
Fluidizado x x x x
Pneumático x x x x
Rotativo Indireto x x x
Rotativo Direto x x
Esteira Convectiva x x x x
Bandeja Contínua x x x x x
Esteira a vácuo x
Circulação de ar contínua
x x X
Fonte: adapatado de Nonhebel e Moss (1971)
Conforme mostrado na Figura 9 as principais tecnologias disponíveis
direcionadas para a secagem de biomassa são: tambor rotativo, esteira transportadora,
disco, secador pneumático ou secador que utiliza vapor superaquecido. (NREL, 1999)
41
Vapor superaquecido
Esteira
Pneumático
Disco
Rotativo
Solar
Sem Secagem
Direto
Indireto
Secagem
Artificial
Figura 9. Alternativas de Secagem da biomassa do cacau.
Fonte: autor e adaptado de NREL, 1999.
4.1.4 Subsistema de Compactação
Compactação ou densificação é o processo de aumento de densidade de
resíduos agrícolas melhorando as propriedades desses materiais principalmente para o
transporte e para aplicações energéticas (UNEP, 2013).
UNEP (2013) cita as principais vantagens e desvantagens da utilização
do processo de compactação.
Vantagens da Compactação:
- O processo aumenta o poder calorífico do material por unidade de volume;
- Facilita o transporte e o manuseio da biomassa;
- Há uniformidade no tamanho e qualidade;
- O processo ajuda a resolver o problema de destinação dos resíduos;
- O processo ajuda a reduzir o desmatamento por gerar um combustível substituto a
lenha;
- O processo reduz/elimina a possibilidade de combustão espontânea nos estoques;
– Reduz a biodegradação dos resíduos.
42
Desvantagens da Compactação:
- Investimento financeiro relativamente alto;
- Alguns briquetes apresentam características indesejáveis quanto à combustão;
- Tendência de baixa resistência de alguns briquetes a exposição a água e ambientes
com alta.
Segundo Oliveira (2014) afirma que briquete é uma lenha ecológica
(reciclada), resultado do processo de secagem e prensagem de serragem ou pó dos
mais diversos tipos de madeira e de resíduos florestais e industriais. O briquete é
adequado para o uso em caldeiras industriais e também na substituição com grande
eficiência dos combustíveis tradicionais.
Os briquetes e pellets apresentam algumas diferenças quanto à
densidade e dimensão. Enquanto os briquetes apresentam densidade de 500 a 1200
kg/m3, diâmetro aproximadamente 60 mm e comprimento de 25 a 300 mm, os péletes
têm densidade de 500 a 750 kg/m3, diâmetro entre 6 e 16 mm, comprimento de 25 a
30 mm. Ambos têm poder calorífico superior (PCS) na faixa de 16,92 a 17,64 MJ/kg e
umidade entre 7 e 12%. A quantidade de cinzas depende da matéria-prima (DIAS et al,
2012).
O tamanho de partículas é muito importante para determinar a qualidade
e durabilidade de um pélete ou briquete. Quanto menor for o tamanho de partícula,
menor será a porosidade do produto final e, portanto, maior será a sua densidade. A
baixa porosidade do pélete ou briquete pode, entretanto dificultar a queima devido ao
menor número de espaços livres para difusão de calor. Sendo assim, a taxa de
combustão dos produtos muito densos será menor e maior o período de combustão
(DIAS et al, 2012).
Exceto materiais que possuem pequeno tamanho de partícula, como
serragem e casca de arroz, todos os outros materiais devem ser reduzidos a 6-8 mm
de tamanho com cerca de 10-20% de finos para se obter bons resultados de
briquetagem. As condições de processamento devem ser alteradas para se adequar às
exigências de cada biomassa particularmente (DIAS et al, 2012)
Estudos mostram que o teor de água ideal, para a maioria das biomassas,
está entre 5-10%, pois resulta em um produto mais denso, estável e durável do que
briquetes compactados com teores de água acima dos 15% (DEMIRBAS et al., 2004).
A literatura sugere um teor de umidade de 15-20% para a queima, visto que os valores
43
superiores reduzem o valor do calor de combustão, a temperatura da câmara de
queima e a temperatura dos gases de escape (GONÇALVES et al., 2009). Valores de
umidade acima de 15% podem levar à quebra do briquete ou à degradação biológica
durante o transporte e armazenamento. Por outro lado, baixo teor de água (<5%) pode
resultar em perda de material, bem como a sua quebra, geração de finos durante o
transporte e armazenamento (DIAS et al, 2012).
Os equipamentos que fazer a briquetagem podem atuar por pressão ou
por extrusão. Os briquetes obtidos em cada um dos tipos têm diferenças morfológicas e
mecânicas. A prensa peletizadora consiste em um ou mais rolos que giram contra uma
matriz dotada de vários furos de pequeno diâmetro. A matéria-prima é colocada entre o
rolo e a matriz e a passagem do rolo provoca a extrusão do material através dos furos.
(OLIVEIRA, LIVRO DE BRIQUETES) Elas podem ser de dois tipos: matriz cilíndrica e
matriz plana (TUMULURU et al., 2011; GAVIRIA, 2012)
A matéria-prima deve ser sujeita a secagem para diminuir o teor de
umidade até uma valor de cerca de 12% (m/m). Durante a peletização, o excesso de
umidade pode causar formação de excesso de vapor que pode provocar desintegração
dos péletes e reduzir a eficiência do processo de combustão. Mas se o teor de umidade
for excessivamente baixo a superfície e os ligantes dos péletes podem carbonizar
prejudicando a transferência de calor (OLIVEIRA, 2014).
As principais tecnologias que podem ser usadas para compactação de
biomassa são a briquetagem e a peletização. Sendo que a briquetagem pode ser
realizada por prensa de pistão, prensa de rolo ou extrusão de rosca. Enquanto as
peletizadoras podem possuir matriz plana ou cilíndrica, conforme mostrado na Figura
10 (TUMULURU et al., 2011).
44
Sem compactação
Pelletização
Briquetagem
Matriz Cilíndrica
Matriz Plana
Compactação
Prensa de Pistão
Prensa de Rolo
Extrusão de Rosca
Figura 10. Alternativas para compactação biomassa de cacau. Fonte: o autor.
4.1.5 Subsistema de Reação de Combustão
A natureza do processo de combustão depende das propriedades do
combustível e da tecnologia de combustão aplicada. O processo de combustão global
pode também ser um processo contínuo ou um processo em batelada, e a adição de ar
pode ser realizada de forma natural ou forçada. O processo em batelada é usado
geralmente em unidades de combustão de pequena escala, usando a configuração
adição de ar natural. Unidades de combustão de média e grande escala são sempre
processos contínuos e de adição forçada de ar. A figura 11 demonstra os parâmetros
que influenciam no design de sistemas de combustão de biomassa (Loo & Koppen,
2008).
45
Design Sitema de
Combustão
Requerimentos ambientais
Quantidade, preço e qualidade
dos diferentes tipos de biomassa
disponíveis
Quantidade, qualidade e preço
da energia produzida
Mecanismos de suporte financeiro
para fontes alternativas de
energia
Custos Mão-de-obra
Figura 11 – Fatores críticos para um projeto de combustor. Fonte: adaptado de Loo & Koppen, 2008
Independente do tipo de aplicação (caldeiras, fornalhas etc.) os processos
de combustão de materiais sólidos podem ser divididos em três tipos principais,
conforme Marutzky (1999): 1) Combustão em Leito Fluidizado; 2) Combustão em Leito
Fluidizado; 3) Combustão em Suspensão. Essas principais tecnologias podem ser
visualizadas na Figura 12.
Ar secundário
Combustível
Cinzas Cinzas Cinzas Cinzas
Ar secundárioAr secundário
Ar primário
CombustívelCombustível
Ar primário Ar primário
Material do Leito
Material do Leito Ar secundário
Combustível + Ar primário
Leito Fixo Fornalha de Grelha
Leito Fluidizado Circulante
Leito Fluidizado Borbulhante
Leito em Suspensão
Figura 12 - Principais Tecnologias de Combustão de Biomassa.
Fonte: adapatado de Marutzky, 1999.
46
A transferência de massa entre o combustível e o ar de combustão no
leito fluidizado é feita por convecção forçada. O leito atua como um reservatório de
calor, assegurando uma ignição rápida e uma combustão eficiente.
Uma das grandes vantagens da combustão em leito fluidizado é a
possibilidade de se obter baixa emissão de poluentes como o NOx e SOx. A baixa
emissão de NOx é resultado da baixa temperatura em que ocorre a combustão no leito,
em torno de 800°C, o que minimiza a formação de NOx térmico.
A partir do conhecimento das principais tecnologias de combustão de sólidos, elaborou-
se uma árvore de estados contemplando essas tecnologias, conforme apresentado na
Figura 13.
Sistema Stokers
Grelha
Leito Fluidizado
Suspensão
Reator de Combustão
Leito Fixo
Fluidizado Borbulhante
Fluidizado Circulante
Figura 13 - Principais Alternativas de tecnologias de Combustão de Biomassa. Fonte: o autor
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA
Seguindo a metodologia, foram obtidos os valores referentes a umidade,
densidade, teor de voláteis, teor de cinzas, teor de carbono fixo e o poder calorífico
(Superior e Inferior) de algumas variedades de cacau. Conforme apresentado da
Tabela XX foram encontradas algumas diferenças entre as variedades principalmente
quanto ao teor de cinzas e teor de carbono fixo.
47
Tabela 1 – Caracterização físico-química da casca do cacau
Tipo de Cacau
Umidade (% bu)
Densidade (g/mL)
Teor voláteis (% bs)
Teor de cinzas (% bs)
Teor de carbono fixo
(% bs)
PCS (MJ/kg)
PCI (MJ/kg)
Catongo 85,11 0,9659 78,63 10,04 11,37 16,21 15,04 Comum 79,78 0,8968 77,89 5,98 16,12 17,80 16,63 CCN51 83,03 0,9121 81,19 6,55 12,32 16,97 15,80
Referência* 84,2 64,03 12,63 23,34 17,33 16,04
* Fonte: Pereira, 2013 e o autor.
(a) (b)
(c)
(d)
(e)
(f)
48
Figura 14 - Tipos de cacau (a) Catongo (b) Comum (c) TSH1188 (d) CCN51 (e) Casca do cacau (f)
cacau aberto. Fonte: o autor (2015).
4.3 MÉTODO HEURÍSTICO E FLUXOGRAMA-BASE
4.3.1 Subsistema de Corte/Despolpa
Conforme mostrado no quadro 4 existem vantagens e desvantagens da
escolha de cada uma das formas de quebra e despolpagem do fruto.
49
Quadro 4. Vantagens e desvantagens das alternativas de corte e despolpa do fruto do cacau
Procedimento Manual Procedimento Mecanizado
Vantagens Desvantagens Vantagens Desvantagens
Ausência de resíduos
de casca nas
amêndoas
Necessidade de Mão-
de-obra
Redução de Mão-de-
Obra
Resíduos de casca
nas amêndoas
Produz chocolate de
melhor qualidade
Integridade das amêndoas Investimento Inicial
Segurança ao colhedor
Utilização da polpa
Maior produtividade
Quebra inicial da casca
Redução Tempo de
Fermentação
Fonte: adaptado de Pinhalense
A partir das vantagens de desvantagens citadas acima pode-se formular
as seguintes regras heurísticas:
Regra 01: Caso seja necessário maior volume de casca por unidade de
tempo e menor custo geral do processo aplicar corte/despolpa mecânico.
Regra 02: Caso haja dificuldade na contratação de mão-de-obra aplicar
corte/despolpa mecânico.
Regra 03: Caso seja desejado um processo mais seguro para os
operadores e para a integridade das amêndoas aplicar corte/despolpa mecânico.
Regra 04: Caso seja interesse produzir chocolate de altíssima qualidade,
aplicar corte manual.
4.3.2 Subsistema de Redução de Tamanho
Na indústria, a manutenção dos moinhos é uma tarefa rotineira e pesada,
não sendo aconselhável a operação dessas máquinas por mais Alimentação Produto
moído de 20 horas por dia. Alguns moinhos de martelos são simétricos, de modo que a
direção do rotor pode ser invertida, o que proporciona a operação por um tempo maior
50
de sem manutenção. O tamanho das partículas de saída é regulado pela folga entre a
extremidade inferior dos martelos e as aberturas posicionadas abaixo do rotor (DIAS et
al, 2012).
No quadro 5, foram apresentadas as principais características dos
equipamentos de redução de tamanho de biomassa, que podem contribuir no processo
de tomada de decisão. Essas variáveis podem guiar a seleção da tecnologia mais
adequada para o pré-tratamento da biomassa lignocelulósica, de acordo com os
trabalhos de Womac et al (2007); Brita et al (2008); Miu et al e McKinney ( 2006 e
2008).
Quadro 5. Principais características de tecnologias de redução de tamanho.
Fonte: Adaptado de Womac et al (2007); Brita et al (2008); Miu et al e McKinney ( 2006 e
2008).
Com base no resumo das principais características apresentadas no quadro XX e na
revisão à literatura, foram estabelecidas as seguintes regras heurísticas para os
equipamentos de redução de tamanho.
Regra 01: Se houver necessidade de alta produtividade no processo, utilizar moinhos
de Rolos ou moinhos de martelo ou moinhos de facas.
Características Moinho de Rolos
Moinho de Martelo
Moinhos de Discos
Moinho de Barras
Moinho de Facas
Sensibilidade a contaminantes
Alta Baixa Média Alta Alta
Custos de manutenção
Alto Baixo Médio Baixo Médio
Complexidade de operação e manutenção
Média Baixa Média Baixo Média
Custos de aquisição Alto Baixo Médio Baixo Médio Geometria da partícula produzida
Grosseira a Fina
Grosseira a média
Grosseira a Fina
Grosseira a Fina
Grosseira a Fina
Produtividade Alta Alta Alta Baixa Alta
51
Regra 02: Se os recursos energéticos forem escassos utilize moinho de martelo ou
moinho de barras.
Regra 03: Se houver risco de contaminantes na biomassa utilize moinhos de martelo.
Regra 04: Se o nível de qualificação da equipe operacional for baixo, opte por moinhos
de martelo.
Regra 05: Se houver limitação quantos aos recursos iniciais na aquisição e
preocupação com os com os custos de manutenção, aplique moinhos de martelos ou
barras.
4.3.3 Subsistema de Secagem
No Quadro 6 são apresentadas as principais vantagens e
desvantagens dos principais tipos de secadores (UNEP, 2013; NREL, 1999) para
biomassa úmida e fibrosa.
Quadro 6. Vantagens e desvantagens dos principais secadores para biomassa
Tipo de Secador
Sensibilidade no
abastecimento
Exigências Operacionais
e Manutenção
Eficiência Energética e recuperação
de Calor
Risco a incêndio
Uso de vapor
Rotativo Menor sensibilidade ao
tamanho da partícula
Baixo Menor possibilidade de recuperação de
energia
Maior comparado a
secadores que trabalham em temperaturas
menores
Pode usar vapor
Esteira Pode ser necessária a
retirada de finos ou repassados
Maior, comparado aos
secadores rotativos
Alta possibilidade, devido a baixa temperatura
Baixo
Secador de Disco
Não Exige
Sujeito a corrosão e
erosão
Dificuldade na recuperação de
calor. Altos custos com o
soprador
Médio. Risco após a
secagem e com o secador
desligado
Não
Pneumático Exige partículas pequenas
Sujeito a corrosão e
erosão
Dificuldade na recuperação de
calor. Altos custos com o
soprador
Médio Não
Vapor super
aquecido
Exige partículas pequenas
Alto. Sujeito a corrosão
Muito eficiente se o vapor de baixa
pressão é recuperado. Não
há perdas de calor no ar de aquecimento
Não há risco de incêndio
Produzido vapor em excesso
52
Fonte: Adaptado de UNEP, 2013 e NREL, 1998.
A utilização de fornalhas a lenha com sistema de aquecimento indireto é
um método comum na maioria das unidades pré-processadoras de cacau. Estas
fornalhas são destinadas a produtos agrícolas que requerem temperatura controlada e
não muito alta durante a secagem (CUNHA; SERÔDIO, 1991). A temperatura ideal da
massa de amêndoas de cacau deve ser mantida em temperatura entre 35 e 40ºC
(EFRAIM, 2004) .
Conforme Dias et al. (2012) os secadores indiretos são normalmente
menos eficientes, pois requerem grande área de transferência de calor, exigindo
equipamentos maiores e mais caros que os diretos.
Para a secagem da biomassa a ser briquetada ou peletizada
normalmente se utilizam secadores rotativos ou tipo “flash”. Os secadores rotativos
podem ser diretos ou indiretos, são altamente confiáveis, mas tendem a ser mais caros
do que secadores tipo “flash”, especialmente para capacidades inferior a 3-4 toneladas
por hora (DIAS et al, 2012).
A partir das informações pesquisadas na literatura foram elaboradas as
seguintes regras heurísticas:
Regara 01: Se o resíduo tiver alta superfície de contato e puder ser
processado em escala maior de tempo e apresentar baixa biodegradabilidade, utilizar a
secagem natural.
Regra 02: Se houver a necessidade de que a secagem ocorra com maior
velocidade, sem interrupções, o resíduo ser altamente biodegradável e o
processamento ocorrer em regiões úmidas, aplicar secagem artificial.
Regra 02: Se não houver uniformidade no tamanho da biomassa, utilizar
secador rotativo.
Regra 03: Se houver interesse em uma tecnologia com menor exigência
operacional e de manutenção, utilizar secador rotativo.
Regra 04: Se houver interesse em uma tecnologia com maior
possibilidade de recuperação energética, aplicar secador em esteira.
53
Regra 05: Se houver a necessidade de maior produtividade no processo
de secagem artificial, via secador rotativo: optar por secador rotativo de aquecimento
direto.
Regra 05: Se houver interesse em utilizar o secador para o
processamento da amêndoa do cacau, ou seja, que a temperatura de aquecimento
seja mantida entre 35 e 40ºC e produzir um chocolate de melhor qualidade, optar por
um secador rotativo de aquecimento indireto.
4.3.4 Subsistema de Compactação
O Quadro 7 apresenta as principais características das tecnologias de
compactação de biomassa disponíveis.
Quadro 7 - Comparação entre as diferentes tecnologias de compactação
Parâmetros Peletizadora Prensa de
Pistão
Prensa de
Rolo
Extrusora de
Rosca
Teor ótimo da
biomassa
10 10 a 15 10 a 15 4 a 8
Tamanho de
partícula (mm)
< 3 6 a 12 < 4 2 a 6
Adição de adesivo Não necessário Não necessário Necessário Não necessário
Forma Cilíndrico Cilíndrico Geralmente
Elíptico
Cilíndrico/Sextavado/
Retangular/Quadrado
Atrito nas partes
de contato
Alto Baixo Alto Alto
Saída de Produto Contínuo Contínuo Contínuo Contínuo
Consumo
Específico de
Energia (kwh/t)
16 a 75 37 a 77 30 a 83 37 a 150
Produtividade (t/h) 5 2,5 5 a10 0,5 a 2
54
Densidade
Unitária (g/cm3)
1,1 a 1,2 < 1,0 Sem Formação 1 a 1,4
Densidade
Aparente (g/cm3)
0,65 a 0,75 0,4 a 0,5 0,48 a 0,53 0,5 a 0,6
Frequência de
Manutenção
Baixa Alta Baixa Baixa
Desempenho na
queima dos
produtos
Muito bom Moderada Moderada Muito bom
Fonte: Adaptado de TUMULURU et al., 2011.
A partir das informações pesquisadas em literatura foram elaboradas as
seguintes regras heurísticas:
Regra 01: Se o resíduo apresentar teor de umidade maior ou igual a 15%,
não aplicar Peletização ou Briquetagem. Se o resíduo apresentar teor de umidade
entre 10% e 15% aplicar processo de briquetagem (Prensa de Pistão ou Prensa de
Rolos). Se a biomassa apresentar teor de umidade inferior a 10% aplicar processo de
briquetagem – extrusora de rosca.
Regar 02: Se o resíduo apresentar tamanho maior que 4 mm aplicar
briquetagem ( Prensa de Pistão ou Extrusora de Rosca). Se o resíduo apresentar
tamanho menor que 4 mm aplicar Peletização ou Briquetagem – Prensa de Rolo.
Regra 03: Considerando o desempenho na reação de queima, optar pelo
processo de peletização ou pelo processo de briquetagem – Extrusora de Rosca.
Regra 04: Considerando a frequência de manutenção, não optar por
briquetagem – prensa de rolos.
4.3.5 Subsistema de Combustão
As granulometrias do combustível sólido normalmente empregadas
em cada tecnologia está no Quadro 8.
Quadro 8 – Granulometria do combustível adequada a tecnologia de
combustão
55
Tecnologia de
Combustão
Granulometria do Combustível
Leito Fixo 0,01 a 0,05 m (10 a 50 mm)
Leito Fluidizado 0,001 a 0,025 m (1 a 25 mm)
Leito em Suspensão 1,0 a 100 μm (0,001 a 0,1 mm)
Fonte: adaptado de Loo & Koppen, 2008.
Alguns dos requisitos dos queimadores de combustíveis sólidos são:
• Permitir um bom contato entre o combustível sólido e o ar de
combustão;
• Boa transferência de calor para o combustível que está entrando para
iniciar a
Combustão;
• Permitir uma boa mistura dos voláteis e o ar de combustão;
• Providenciar a remoção das cinzas;
• Fornecer espaço para combustão completa;
A Combustão em Leito fixo se caracteriza pelo elevado tempo de
residência proporcionado às partículas na câmara de combustão e é apropriado para
combustível de biomassa com alto nível de umidade e com variação no tamanho das
partículas e alto conteúdo de cinzas. (Loo & Koppen, 2008). As principais alternativas
de tecnologia de leito fixo são as fornalhas de grelhas e sistema stokers. O Quadro 9
apresenta as principais vantagens e desvantagens dessas tecnologias.
56
Quadro 9.- Comparação entre tecnologias de combustão de biomassa.
Vantagens Desvantagens
Fornalhas de Grelhas Baixo investimento para plantas < 20MW Geralmente não é usado com misturas de
biomassas diferentes Baixos custos operacionais Para ser eficiente na emissão de NOx é
encessário tecnologias especiais Baixo nível de pó no gás de combustão Excesso de oxigênio (5-8 vol%) diminui a
eficiência do processo Sensibilidade baixa a presença de cinzas no leito comparado ao leito fluidizado
Condições de combustão não são homogêneas
Baixos níveis de emissões em operação parcial de carga necessitam de controle sofisticado do processo
Não há controle na alimentação e na distribuição da biomassa
STOKERS com alimentação por baixo Baixo investimento para plantas < 6MW Adequado apenas para combustíveis com baixo
teor de cinzas e alto ponto de fusão das cinzas Simples e controle de carga devido alimentação contínuo
< 50 mm
Baixas emissões devido à boa dosagem do combustível
Baixa flexibilidade ao tamanho da partícula
Fonte: Loo & Koppen, 2008.
A transferência de massa entre o combustível e o ar de combustão no
leito fluidizado é feita por convecção forçada. O leito atua como um reservatório de
calor, assegurando uma ignição rápida e uma combustão eficiente.
Uma das grandes vantagens da combustão em leito fluidizado é a
possibilidade de se obter baixa emissão de poluentes como o NOx e SOx. A baixa
emissão de NOx é resultado da baixa temperatura em que ocorre a combustão no leito,
em torno de 800°C, o que minimiza a formação de NOx térmico.
Existem duas opções de tecnologia referente ao Leito Fluidizado: 1) Leito Fluidizado
Circulante e 2) Leito Fluidizado Borbulhante. O Quadro 10 apresenta as principais
vantagens dessas duas tecnologias.
57
Quadro 10. Comparação entre as tecnologias de Leito Fluidizado para a Combustão de Biomassa.
Vantagens Desvantagens
Leito Fluidizado Borbulhante
Nenhum movimento das partes na cabine de combustão
Altos investimentos, viável para plantas > 20MW
Alta flexibilidade para o teor de umidade da biomassa, poder calorífico e teor de cinzas
Altos custos operacionais
Baixo excesso de ar (3-4 Vol%) aumenta o eficiência do processo e reduz o fuxo do gás de combustão
Reduzida flexibilidade com o tamanho da partícula
Redução de emissões de Nox e SOx Alto nível de pó no gás de combustão Utilização de biomassas de alta alcalinidade é
crítico pois permite aglomeração de partículas no leito
Perda de material do leito com as cinzas sem medidas especiais
Reduzida flexibilidade a densidade do material Leito Fluidizado Circulante
Nenhum movimento das partes na cabine de combustão
Altos investimentos, viável para plantas > 30MW
Redução de emissões de Nox e SOx Altos custos operacionais Alta flexibilidade para o teor de umidade da biomassa, poder calorífico e teor de cinzas
Reduzida flexibibilidade com o tamanho da partícula
Fácil uso de aditivos Utilização de biomassas de alta alcalinidade é crítico pois permite aglomeração de partículas no leito
Aumento da transferência de calor devido maior turbulência
Alto nível de pó no gás de combustão
Baixo excesso de ar (1-2 Vol%) aumenta a eficiência do processo e reduz o fuxo do gás de combustão
Atingimento de combustão homogênea na cabine quando vários injetores de combustível são usados
Alta sensibilidade aos resíduos da cinza
Permite o uso Reduzida flexibilidade a densidade do material Alta taxa de erosão em pontos isolados dos tubos
imersos no leito
Fonte: adaptado de Loo & Koppen, 2007.
Outra tecnologia que pode ser utilizada para materiais sólidos é a de Combustão em
Supensão, conforme mostrado no Quadro 11.
58
Quadro 11. Principais características da tecnologia de Combustão em Suspensão.
Combustão em Suspensão
Vantagens Desvantagens
Baixo excesso de oxigênio aumenta a eficiência
do processo
Limite quanto ao tamanho da partícula
(< 10-20mm)
Alta redução do nível de NOx É necessário um queimador extra
Bom controle de carga e possibilidade de rápida
alteração de carga
Alta taxa de desgaste da estrutura se o queimador
ciclone.
Fonte: Adaptado de Loo & Koppen, 2008.
O Quadro 12 apresenta um comparativo entre as tecnologias de combustão Grelha e Leito Fluidizado.
Quadro 12 – Comparativo entre Tecnologias de Combustão
Parâmetros Grelha Leito Fluidizado
Emissões de Nox > 250 ppm < 150 ppm
Emissões de CO >200 ppm <100 ppm
Eficiência de Combustão 95 a 97% 99,5%
Velocidade dos gases na fornalha
Potencial de incêndio na parte traseira
11 a 12 m/s
Maior
6 a 7 m/s
Menor
Flexibilidade no uso de várias biomassas Não Sim
Níveis de emissão Atende padrões
nacionais
Atende padrões Nacionais e
Internacionais
Fonte: Adaptado de ODEBRECHT Agroindustrial
No Quadro 13 são mostradas as tecnologias mais relevantes na União Européia, quanto a combustão da
biomassa.
59
Quadro 13 – Comparativo entre Tecnologias de Combustão mais relevantes na União Européia.
Capacidade dos
equipamentos
Tecnologia de
Combustão / Fabricante
Rendimento Energético
Máximo (%)
Necessidade de
limpeza dos gases da
chaminé
De 33 MW a 63 MW Grelha (Geka) 88 Em alguns casos
De 33 MW a 63 MW Leito Fluidizado 92-94 Não
De 15 MW a 35 MW Leito Fluidizado 92-94 Não
De 1 MW Em suspensão 94 Não
Não informado Em suspensão 94 Em alguns casos
18 MW Tecnologia Combinada
(Grelha+em suspensão)
94 Em alguns casos
Fonte: adaptado de Garcia, 2008.
A partir das informações levantadas na literatura foram elaboradas as seguintes regras
heurísticas:
Regra 01: Se o resíduo apresentar a granulometria 10 a 50 mm aplicar Leito Fixo. Se o
resíduo apresentar a granulometria de 1 a 25 mm aplicar Leito Fluidizado. Se o resíduo
apresentar granulometria de 0,001 a 0,1 mm aplicar Leito em Suspensão.
Regra 02: Se for aplicado um combustor de leito fixo e o resíduo apresentar alto teor de
cinzas, aplicar leito fixo de grelha.
Regra 03: Se for aplicado um combustor de leito fixo e o resíduo apresentar baixo teor
de cinza, aplicar tecnologia STOKER.
Regra 04: Se for aplicado um combustor de leito fixo e houver interesses em baixas
emissões de gases de combustão, aplicar tecnologia STOKER.
Regra 04: Se o resíduo apresentar granulometria entre 1 a 25 mm, e o resíduo
apresentar alto teor de cinzas ou alto teor de umidade ou baixo poder calorífico aplicar
tecnologia de leito fluidizado.
Regra 05: Se o resíduo apresentar granulometria entre 1 a 25 mm e houver interesse
em aumentar a taxa de transferência de calor aplicar tecnologia de Leito Fluidizado.
60
4.3.6 Fluxograma Base
Diante do que foi apresentado, foi possível determinar o fluxograma-base pela
composição das tecnologias escolhidas no processo decisório, baseado nas regras
heurísticas aplicadas aos subsistemas de corte/despolpa, redução de tamanho,
secagem, compactação e reação de combustão.
Desse modo, as escolhas que otimizam o custo e maximizam o desempenho da rota
tecnológica de Combustão Direta são:
- Subsistema corte/despolpa: mecânico;
- Subsistema de redução de tamanho: moinhos de martelo;
- Subsistema de Secagem: Secador Rotativo Direto com Integração Energética;
- Subsistema de Compactação: Briquetadeira por extrusão de rosca
- Subsistema de Combustão: Combustor de Leito Fixo - grelha- com Integração
Energética.
Assim o fluxograma-base do processo, ou seja, aquele que pela aplicação do Método
Heurístico, atende aos objetivos propostos, é o correspondente a ordenação QM - MM -
SARD - CI - BER - LFG - CI – GV, o qual, na Figura 16, é representado pelo número
23.
5. CONCLUSÕES
A escassez de trabalhos na literatura focados no aproveitamento
energético a partir da biomassa do cacau é um forte indicativo da importância do atual
estudo.
A abordagem sistêmica, sob os conceitos da Engenharia de Processos,
possibilitou a compreensão dos efeitos de diferentes tecnologias e a combinação das
mesmas no processo de conversão energética, quanto ao custo e ao desempenho do
processo de Combustão Direta. A aplicação do Método Heurístico ao projeto resulta no
desenvolvimento de várias regras heurísticas que podem contribuir no processo de
tomada de decisão em futuros projetos.
A partir dos resultados experimentais preliminares a variedade do cacau
pode influenciar nas características físico-químicas da casca do fruto.
61
De forma geral, este trabalho contribui para o suprimento das exigências
atuais da agroindústria, maximizando o retorno financeiro e permitindo o
desenvolvimento sustentável.
Os próximos passos do trabalho são a conclusão dos experimentos e
aplicação do método heurístico e evolutivo às rotas tecnológicas de Pirólise,
Gaseificação e Biodigestão, conforme apresentado nos objetivos específicos.
62
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66
APÊNDICE A
Rota: 1Subsistemas: 8 Ramos: 8400
Fluxograma-base: Corte Mecânico – Moinhos Martelo – Secagem Artifical (Rotativo Direto) – I.E. – Briquetagem (Extrusão de Rosca) –
Leito Fixo Grelha – I.E. - Geração a Vapor
Obs: I.E = Integração Energética
Fruto do cacau
Energia
Rotativo
Indireto
Direto
S/Integração Energética
Integração Energética
Prensa de Pistão
Pelletização
Sem Compactação
Matriz Plana
Matriz Cilíndrica
BriquetagemPrensa de
Rolo
Geração a Vapor
Grelha
Stokers
Fluidizado Circulante
Fluidizado Borbulhante
Leito Fluidizado
Leito Fixo
Suspensão
Extrusão de Rosca
Disco
Pneumático
Esteira
Vapor Superaquecido
Solar
Artificial
Natural
Martelos
Barras
Rolos
Discos
Facas
Manual
Mecânico
Integração Energética
S/ Integração Energética
Sem Secagem
Rota de Combustão