produção de carvão vegetal com recuperação de subprodutos
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1. Introdução
A necessidade de buscas por novas fontes de energia limpa, como a biomassa,
vem sendo levada em consideração devido ao cenário atual em que se encontra o
mundo. Devido a essa necessidade, novas linhas de pesquisas vêm sendo feitas sobre
biomassa. A motivação para essa mudança de postura é a necessidade de redução do uso
de derivados do petróleo e, consequentemente, a dependência energética do consumo de
petróleo. Além disso, a redução no consumo dos derivados do petróleo diminui a
emissão de gases causadores do efeito estufa.
A biomassa é utilizada para a produção de energia a partir de processos como a
combustão de material orgânico produzida e acumulada em um ecossistema, porém nem
toda a produção primária passa a incrementar a biomassa vegetal do ecossistema. Parte
dessa energia acumulada é empregada pelo ecossistema para sua própria manutenção. A
queima de biomassa provoca a liberação de dióxido de carbono na atmosfera pela planta
que deram origem ao combustível, o balanço de emissões de CO2 é nulo. Tipos
de Biomassa: Resíduos florestais (lenha); Resíduos agrícolas e indústrias agro-
alimentares; Excrementos de animais; Esgotos urbanos;
Dos resíduos florestais, destaca-se a produção de carvão vegetal a partir destes.
O carvão vegetal é uma das fontes de energia mais usada no mundo. Não só para a
produção de energia, mas para vários fins, como a produção de medicamento e filtros.
Carvão vegetal é um elemento obtido a partir da queima de madeira, sua
utilização é comum como combustível para aquecedores, lareiras, churrasqueiras e
fogões. O carvão com finalidade medicinal é o carvão ativado oriundo de madeiras
específicas e com aspecto mole e não resinosas. Além disso durante a produção do
carvão vegetal, são obtidos alguns subprodutos, como o alcatrão vegetal, que também
pode ser aproveitado.
No Brasil o maior consumidor de carvão vegetal é o setor siderúrgico 85% para
produção de ferro gusa, 9 % residenciais e 1,5 % pizzarias, padarias e churrascarias.
Com a finalidade de se tornar uma atividade sustentável a produção deste bicombustível
deve seguir parâmetros de replantio ordenado , a transformação da madeira em carvão
deve acontecer em fornos apropriados de forma a obter um melhor rendimento por área
plantada, e ainda deve-se utilizar a recuperação do subprodutos.
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2. O carvão vegetal
O carvão vegetal é um material negro, poroso, contendo 85-95 % de carbono,
obtido pela destilação destrutiva da madeira a 500-600ºC em ausência de ar. É usado
principalmente para a combustão, como fonte de calor para produção de vapor,
necessário à geração de eletricidade. Alguns tipos de carvão podem ser usados para
fabricação de coque metalúrgico, requerido como redutor na produção de ferro a partir
do minério, óxido de ferro. Para a fabricação de uma tonelada de carvão vegetal são
necessários 2,2 toneladas de toras de eucalipto, que é uma árvore de crescimento rápido
da família das mirtáceas, gênero Eucalyptos. O carvão é ainda a base da fabricação de
combustíveis líquidos e de toda uma indústria de compostos químicos aromáticos, a
carboquímica.
Na natureza, a transformação do material vegetal em carvão em carvão obedece
à sequência: madeira, turfa, linhito, hulha, antracito. A tabela abaixo mostra o poder
calorífico, isto é, a quantidade de calor produzida quando a unidade de peso de um
combustível é completamente queimada e os produtos de combustão são resfriados a
temperatura original. Os valores se referem aos diferentes tipo de carvão mineral e são
comparados ao valor médio da madeira (lenha).
Tabela 1 - Poder calorífico de diferentes tipos de material carbonáceo
FONTE: (FERREIRA, 2000)
3. Métodos de produção
O carvão vegetal é produzido a partir da pirólise ou queima da madeira, material
predominantemente orgânico, em um ambiente onde a temperatura e a atmosfera
(entrada de ar) são devidamente controladas, para que haja a remoção da maior parte
dos componentes voláteis (BARROSO, 2007). Este processo também é chamado de
“destilação seca da madeira” ou “carbonização” devido ocorrer a eliminação da maior
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parte dos componentes voláteis da madeira e a concentração de carbono no carvão
vegetal produzido.
Desse processo ilustrado pela figura 1 resulta a fase sólida que é o carvão
vegetal e a fase gasosa que é a fumaça. Da fumaça condensada se obtém o licor
pirolenhoso e o alcatrão insolúvel. O licor pirolenhoso é composto de ácido
pirolenhoso, que pode ser definido como uma solução aquosa de ácidos acético e
fórmico, metanol e alcatrão solúvel, além de outros constituintes menores. Os gases
não-condensáveis consistem de compostos gasosos de carbono (CO2, CO, CnHm) e
nitrogênio. Para Ferreira (2000), a análise do carvão e da matéria volátil mostra que sua
composição depende fortemente da temperatura de carbonização, da espécie vegetal que
fornece a madeira e da idade da árvore.
Figura 1 - Modelo-esquemático da produção de carvão vegetal a partir da carbonização da madeira em
fornos de alvenaria (FONTE: BARROSO, 2007)
3.1. Processo de carbonização
O processo de carbonização pode ser dividido em 4 fases, dependendo da faixa
de temperatura alcançada (COELHO, 2008):
Até 200°C: Ocorre a secagem da madeira. O processo é endotérmico,
verificando-se a liberação de H20, traços de CO2, HCOOH, CH3COOH e glioxal.
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280ºC: O processo ainda é endotérmico, com a liberação de H2O, CO2,
HCOOH, CH3COOH e glioxal e um pouco de CO. Nesta etapa, destaca-se o início da
liberação de produtos com alto poder calorífico.
500ºC: O processo é exotérmico e auto-sustentável. Ocorrem reações
secundárias com os produtos da pirólise primária. Verifica-se a liberação de CO, CH4,
HCHO, CH3COOH, CH3OH, H2 e alcatrões. Forma-se o resíduo da pirólise: o carvão
vegetal.
Acima de 500ºC: Processo indesejado, pois a H2O e o CO2 reagem com o
carvão, produzindo CO, H2 e HCHO, e diminuindo, portanto, o rendimento. Ocorrem
também reações de pirólise dos gases efluentes da etapa anterior.
A temperatura de carbonização influencia diretamente no rendimento de carvão
vegetal produzido e também em sua composição elementar, conforme pode ser visto na
tabela abaixo.
Tabela 2 - Rendimento em função da temperatura
FONTE: LEPAGE el al. (1986)
A maioria dos fornos opera com temperatura de carbonização entre 500 e 600ºC,
pois nesta faixa de temperatura obtêm-se um carvão vegetal de alta qualidade, ou seja,
com alta concentração de carbono e rendimento razoável LEPAGE et al. (1986).
Com relação à origem do calor para o processo, o sistema de produção pode ser
classificado em sistemas com fonte interna de calor ou por combustão parcial e sistemas
com fonte externa de calor. Sistemas com fonte interna de calor são aqueles onde o
calor é oriundo da combustão de parte da carga destinada à carbonização. Cerca de 10%
a 20% do peso da madeira enfornada como matéria-prima é queimada para gerar o calor
necessário, dentro do próprio forno. O rendimento gravimétrico nesse caso (relação
volume carvão / volume madeira) não ultrapassa os 40%. Nos sistemas com fonte
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externa de calor, esse é fornecido a partir da queima de resíduos florestais e restos de
madeira não aproveitáveis no processo em uma câmara de combustão externa ao forno.
Dessa forma, toda a madeira é, teoricamente, convertida em carvão vegetal elevando a
produtividade em 30% (BRITO, 1990).
De acordo com Coelho (2008), no Brasil o sistema de produção de carvão
vegetal mais comumente utilizado é o de fonte interna de calor, devido ao seu baixo
custo de instalação e manutenção, compensando, assim, a baixa produtividade
alcançada.
Para Brito (1990), o carvão vegetal brasileiro ainda é hoje produzido, em sua
maior proporção, da mesma forma como o era há um século. A tecnologia é primitiva, o
controle operacional dos fornos de carbonização é pequeno, e não se pratica o controle
qualitativo e quantitativo da produção. Novas tecnologias estão totalmente disponíveis,
mas devido à baixa capitalização dos produtores brasileiros e aos riscos de produção
associados às tecnologias desconhecidas, a produção de carvão no país ainda é arcaica.
Os fornos para a produção de carvão vegetal normalmente encontrados são os de
alvenarias como forno meia-laranja ou “rabo-quente”, forno de encosta ou de barranco e
o forno colmeia ou de superfície.
Brito (1990) explica que além dos fornos de alvenaria mencionados há também a
opção da carbonização contínua ou retorta mostrada pela figura 4 que em geral utiliza a
combustão externa de gases recuperados do próprio processo para a geração de calor,
melhorando assim a eficiência de conversão. Pode ser construída vertical ou
horizontalmente, em material metálico, e com dimensões que permitem grandes
produções num único equipamento. A qualidade do carvão vegetal é melhor e mais
homogênea. Modernamente, há exemplos de retortas que, individualmente, pode chegar
a produzir por ano o equivalente a 350 fornos de alvenaria do tipo colmeia, com
capacidade para 35 m3 de madeira.
Para Ferreira (2000), na maioria das retortas, além da recuperação e queima dos
gases do próprio processo para a geração de calor, prevê-se também a obtenção de gases
inertes, que são utilizados no resfriamento do carvão produzido. Em muitas concepções
de retortas, com a recuperação de gases, pode-se prever também a obtenção de produtos
químicos contidos nos mesmos. Qualitativamente, a gama de produtos que podem ser
obtidos desses gases é bastante grande. Na prática, os compostos químicos são
recuperados na massa de dois produtos líquidos básicos condensáveis: o alcatrão e o
licor pirolenhoso.
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A figura abaixo ilustra um esquema de uma instalação com recuperação de
alcatrão.
Figura 3 - Esquema de uma instalação com recuperação de alcatrão
(FONTE: FERREIRA, 2000)
3.2. Fatores que influenciam na carbonização
No processo de fabricação de carvão, por mais artesanal que a maioria dos
métodos seja, existem variáveis importantíssimas no seu processo, como as relatadas a
seguir:
Temperatura de carbonização: É inversamente proporcional a velocidade de
carbonização e implica diretamente na qualidade do carvão;
Velocidade de carbonização: Quão maior a temperatura, menor o tempo de
carbonização, e vice-versa, isso também implica em rendimento. Então isso já nos deixa
indiretamente explicito que deve haver um balanço entre velocidade e temperatura de
combustão, visando a busca de uma melhor qualidade e rendimento;
Combustão no forno de carbonização: É o método em que haverá a combustão,
se interna ou externa;
Tipo de biomassa: nessa variável temos outros fatores que influenciaram no
processo, como a composição da madeira, seu teor de umidade e as dimensões da
madeira, como seção transversal.
Tipo do forno: As principais variáveis intercaladas ao tipo do forno são: Perdas
térmicas, entradas de ar, tiragem e pressão.
3.3. Tipos de forno de carbonização
Existem fornos para a produção de carvão de diferentes características, desde
artesanais usados desde 20.000 anos AC até carvoarias de desempenho apreciável sem a
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necessidade de trabalho em situações deploráveis ao homem, situações que serão
abordadas nos próximos tópicos do trabalho.
Abaixo iremos destacar os tipos de fornos de carbonização da madeira, e sendo
assim inicialmente iremos dividi-los em dois grupos. Os artesanais e os tecnológicos.
3.3.1. Artesanais
Os fornos artesanais, que são os usados tradicionalmente são controlados
segundo a experiência do “operador”, chamado de carvoeiro. Normalmente as técnicas
usadas por esses homens para o controle da batelada de carvão produzido se baseiam na
cor, cheiro e volume da fumaça e da temperatura do forno, onde esta é geralmente
medida manualmente (literalmente), pois é apalpando o forno que eles sabem o horário
de tirar a carga por exemplo. O principal objetivo desse método é a grande
produtividade volumétrica e monetária, pois os valores pagos aos funcionários são
normalmente baixíssimos. Abaixo os tipos de fornos e suas principais características:
Rabo-quente: É o mais comum e o mais usado no Brasil, seu rendimento é de no
máximo 30% e normalmente gira em torno de 20 a 25%. Uma característica marcante
desse tipo de forno são as várias fissuras para a entrada de ar.
Figura 4 - Forno do tipo rabo-quente (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Forno Colmeia (de superfície): Usado normalmente em indústrias de produção
de ferro-gusa, oferece um método produtivo onde o carvoeiro não tem tanta exploração
de mão-de-obra por pertencerem a siderúrgicas, e essa serem fiscalizadas com maior
rigorosidade e também frequência. Por já ter uma tecnologia arquitetônica favorável tem
um rendimento levemente superior, máximo de 35% e normalmente entre 25 e 30%.
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Figura 5 - Forno tipo colméia (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Forno de Encosta: Este tipo de forno usa as encostas da inclinação do relevo
como fator favorável para sua construção. Apresentam assim como o forno colmeia um
rendimento máximo de 35%, e típico entre 25 e 30%.
Figura 6 - Forno tipo encosta (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Forno Mineirinho: O forno “Mineirinho” é uma versão melhorada do rabo-
quente, em que as diversas entradas de ar que caracterizam o primeiro são substituídas
por uma chaminé e por um “tatu” ou entrada de ar. Apenas essa modificação permite
aumentar o poder de controle do processo de carbonização. Trata-se, da mesma
maneira, de uma semi-esfera de tijolos rejuntados de barro. O rendimento desse tipo de
forno é de aproximadamente 30 a 35%, mas pode chegar a valores muito próximos de
40%.
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Figura 7 - Forno tipo Mineirinho (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Forno Retangular: Os fornos retangulares foram implantados visando a semi ou
a mecanização do processo e, pelas suas dimensões, permite carbonizar volume de lenha
variável atingindo produção de até 100m³ de carvão. Esse processo é necessário uma pá
carregadeira por exemplo, e ajudantes para abrir e fechar a porta principal e pegar os
pequenos carvões, ou tiço. Nesse tipo de forno também há outras portas de acesso
secundário.
Figura 8 - Forno tipo retangular, vista aérea (FONTE: PINHEIRO, 2009)
3.3.2. Tecnológicos
Esses fornos tecnológicos visão realizar um controle avançado sobre a produção
de carvão, usando medições de massa e umidade, medições de temperatura, a fim de
garantir condições ótimas de carbonização, evitando a queima da carga gerando maior
rendimento, o qual é o grande objetivo desses tipos. Abaixo alguns modelos usando
uma tecnologia mais avançada:
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Forno DPC: Têm uma carbonização realizada em atmosfera controlada, e na
ausência de ar. Nesse tipo de processo, não existe a diluição dos produtos gasosos da
carbonização com o nitrogênio do ar, Os produtos da carbonização possuem alto poder
calorífico, e são de fácil combustão. Outra vantagem é que os excedentes térmicos no
processo podem ser usados em outros processos. Esse processo também utiliza um
sistema chamado roll-on de carga e descarga, onde a carga de madeira é colocada na
caçamba de um caminhão com essa tecnologia. Essa caçamba é colocada
mecanicamente por braços pneumáticos dentro do forno. Após o processo, por esses
mesmos braços, essa caçamba é retirada, já com o carvão pronto.
Figura 9 - Forno tipo DPC (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Retorta Contínua Acesita: Essa tecnologia tem capacidade de 15 t/dia. Operou
de 1987 a 1994 em Turmalina – MG. O tempo total de carbonização era de 6 horas e de
resfriamento 4 horas. Oferecia um rendimento médio de 34%, mas podia variar entre 30
e 40%.
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Figura 10 - Retorta contínua ACESITA (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Carboval V&M 2009: é uma retorta de carbonização contínua, usando sistema
Lambiotte Premery. Foi instalada em Paraopeba – MG e sua inauguração foi em abril de
2008. Tem uma capacidade de produção de 7.500 t/ano. Custou cinco milhões de
dólares e com a instalação de um sistema de co-geração de energia, custou mais um
milhão e meio de dólares. Oferece rendimento de 30 a 40%.
Figura 11 - Retorta de Carboval V&M 2009 (FONTE: PINHEIRO, 2009)
Como podemos visualizar, existem investimentos para aumentar o rendimento
das empresas produtoras de carvão vegetal e diminuir o trabalho braçal (principalmente
os com exploração), mas no Brasil ainda haverá muito tempo para que ocorra essa
conscientização, que possivelmente irá aumentar somente com a fiscalização mais
rígida do governo, criando punições severas a empresas e seus respectivos donos que
continuarem a trabalhar de forma exploratória e sem condições.
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Tabela 3. Tipos e caracterizas dos fornos
FONTE: PINHEIRO, 2009
4. Características dos principais subprodutos da carbonização
Doat e Briane (1985, citados por Brito 1990), apresentaram em seu estudo um
balanço global da conversação da madeira em carvão vegetal submetido à temperaturas
de até 500 °C, em condições laboratoriais, demonstrando que somente 31% da madeira
é convertida em carvão vegetal e os outros 69% transformam-se em produtos
volatilizados.
Desses produtos voláteis, aproximadamente 28% são os gases não condensáveis,
formados pelo monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e hidrocarbonetos.
Já o restante (82%), corresponde aos gases condensáveis, formados pelo vapor d’água e
produtos orgânicos, que por sua vez, são constituídos pelo metanol, ácido acético,
aldeídos, breu, piche e diversas substâncias aromáticas e fenólicas.
4.1. O alcatrão Vegetal
O alcatrão vegetal é um produto obtido a partir da recuperação e condensação
dos gases (fumaça) produzidos durante a carbonização vegetal. A recuperação de
produtos químicos a partir do alcatrão vegetal tem, como etapa inicial, a destilação
fracionada. Normalmente, são separadas quatro frações e um resíduo designado como
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piche vegetal. Os cortes de destilação são realizados com base na temperatura de vapor
dos destilados, e os rendimentos médios obtidos em cada separação (Tabela 4).
Tabela 4 - Cortes e rendimentos médios em destilação de alcatrão vegetal
FONTE: (BENITES, 2009)
O alcatrão é a parte negra e oleosa do condensado, sendo mais denso e viscoso
que o licor pirolenhoso, separado desse pela simples decantação e destilação. Como
possui um alto número de compostos fenólicos, pode ser utilizado para fins químicos,
farmacêuticos, preservativos de madeira, na produção de solventes, tintas, vernizes,
combustível para a cocção, geração de vapor, secagem da madeira, eletricidade,
iluminação. Além disso, a mistura dos finos do carvão com o alcatrão pode ser utilizada
em caldeiras (PINHEIRO, 2009).
4.2. O licor pirolenhoso
O licor pirolenhoso é uma parte aquosa e marrom do líquido condensado. É
composto de 80% de água e o restante subdividem-se em ácido acético, metanol e
acetona. Possui grande aplicação na agricultura orgânica, pois aumenta a absorção de
nutrientes pelas plantas e ainda age como defensivo natural, além de possuir baixo risco
de toxidez tanto para o agricultor quanto para o consumidor final.
O ácido acético é utilizado principalmente na indústria química e na produção do
pigmento branco, sendo também utilizado em filmes, lacas, plásticos, pele artificial,
solventes, curtumes, indústria de inseticidas e sabão. Já o metanol é geralmente
utilizado na fabricação de vernizes e lacas, formaldeído e resinas sintéticas.
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5. Conclusões
A produção de carvão vegetal é um processo relativamente complexo, onde
existem diversos fatores a serem levados em consideração. A cada dia que passa, a
tecnologia neste ramo aumenta, assim como em qualquer outro processo produtivo.
Por mais que possa ser utilizados resíduos florestais para amenizar os impactos
ambientais, e seja realizada a recuperação dos subprodutos, a produção do carvão
vegetal trás consequências ao meio ambiente. Como a geração de gases que contribuem
para o aquecimento global. E também, problemas com o trabalho. Inúmeras vezes a
mídia mostra problemas com carvoarias que discriminam o trabalho: trabalho escravo,
trabalho infantil, etc.
Apesar desses empecilhos, o carvão vegetal pode ser considerado uma das
principais fontes de energia no futuro. Tendo como base para a geração, florestas
plantadas e resíduos madeireiros, gerados durante o processamento mecânico da
madeira.
6. Referencias Bibliográficas
BARROSO R. C. Redução do teor de cinzas dos finos de carvão vegetal por concentração gravítica a seco. (Reduction of the charcoal ash content by concentration based on gravity methods). Dissertação de Mestrado. UFMG. 111 pp. (2007)
BENITES V. M. et al., Utilização de Carvão e Subprodutos da Carbonização Vegetal na Agricultura: Aprendendo com as Terras Pretas de Índio, Biochar.org, 2009. Disponível em: http://www.biochar.org/joomla/images/stories/Cap_22_ Vinicius.pdf. Acesso em: outubro de 2012.
BRITO, José Otávio. Princípios de produção e utilização de carvão vegetal de madeira. USP/ESALQ. – Documentos Florestais: Piracicaba (9): 1-19, maio 1990.
COELHO S. T. et al. Carvão vegetal. Aspectos técnicos, sociais, ambientais e econômicos. Nota Técnica CENBIO nº X. 48 pp. (2008).
CORTEZ, Luís A. B. LORA, Electo E. S. GÓMEZ, Edgardo O. Biomassa para energia. Editora: UNICAMP, 2009.
FERREIRA, O.C. Emissão de gases de efeito estufa na produção e consumo do carvão vegetal. n. 21. 2000.
LEPAGE, E.S.; et al. Metodos de tratamento. In: LEPAGE, E.S., (Coord.). Manual de preservação de madeiras. São Paulo: IPT, 1986. v.2, p.343-419.
PINHEIRO, Paulo Cesar C., Seminário “Encuentro Regional sobre biocombustibles y Energias Renovables”, UDELAR, Montevidéu, Uruguai, 2009.
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