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Apostila Energia da Madeira
Índice
1 - Introdução ......................................................................................... 1
1.1 - Setores Industriais Consumidores de Carvão Vegetal ........................ 2
2 - Teoria da Carbonização .................................................................... 4
2.1 - Parâmetros da Matéria-Prima para Produção de Carvão .................... 5 2.1.1 - Densidade Básica da Madeira ............................................................................... 6 2.1.2 - Teor de Umidade .................................................................................................... 8 2.1.3 - Tamanho das Peças ............................................................................................... 9
2.2 - Composição Química da Madeira ........................................................ 10
2.3 - O Processo de Carbonização da Madeira ........................................... 12 2.3.1 - Carbonização da Celulose ................................................................................... 13 2.3.2 - Carbonização das Hemiceluloses ....................................................................... 14 2.3.3 - Carbonização da Lignina ..................................................................................... 14
2.4 - Físico-Química da Carbonização ......................................................... 15
3 - A Produção de Carvão de Vegetal ................................................. 17
3.1 - Parâmetros de Produção ...................................................................... 17 3.1.1 - Temperatura Máxima Média ................................................................................ 17 3.1.2 - Taxa de Aquecimento .......................................................................................... 22 3.1.3 - Pressão do Forno Durante o Processo .............................................................. 24
3.2 - Fornos de Carbonização ....................................................................... 25 3.2.1 - Forno Rabo Quente.............................................................................................. 27 3.2.2 - Forno de Encosta ................................................................................................. 29 3.2.3 - Forno de Superfície ............................................................................................. 30 3.2.4 - Forno de Superfície com Câmara Externa ......................................................... 31 3.2.5 - Fornos Metálicos ................................................................................................. 33 3.2.6 - Processos Industriais .......................................................................................... 33
3.2.6.1 - Processo Reichert-Lurgí .............................................................................. 33 3.2.6.2 - Processo Sific-Lambiotte ............................................................................. 34 3.2.6.3 - Processo IPT ................................................................................................. 35
3.2.7 - Forno “Container” ............................................................................................... 36 3.2.8 - Outros Fornos ...................................................................................................... 38
4 - Propriedades do Carvão Vegetal ................................................... 39
4.1 - Rendimento Gravimétrico ..................................................................... 39
4.2 - Propriedades Químicas ......................................................................... 40 4.2.1 - Carbono Fixo ........................................................................................................ 41 4.2.2 - Cinzas ................................................................................................................... 41 4.2.3 - Materiais Voláteis ................................................................................................. 42
4.3 - Propriedades Físicas ............................................................................. 43 4.3.1 - Densidade ............................................................................................................. 43
4.3.1.1 - Densidade do granel .................................................................................... 44
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4.3.1.2 - Densidade Aparente ..................................................................................... 44 4.3.1.3 - Densidade Verdadeira .................................................................................. 45 4.3.1.4 - Porosidade .................................................................................................... 45
4.3.2 - Resistência Mecânica .......................................................................................... 46 4.3.3 - Friabilidade ........................................................................................................... 47 4.3.4 - Umidade ou Higroscopicidade ............................................................................ 49 4.3.5 - Granulometria Média ........................................................................................... 50
4.4 - Reatividade ............................................................................................. 50
4.5 - Poder calorífico ...................................................................................... 51
5 - O Carvão Vegetal na Siderurgia e Metalurgia ............................... 54
5.1 - O Alto-Forno ........................................................................................... 55
5.2 - Qualidade do Carvão Vegetal para Outros Fins ................................. 61
6 - Impactos Ambientais do Carvoejamento ...................................... 61
6.1 - Principais Grupos Químicos Poluentes Presentes na Fumaça ........ 64
6.2 - Avaliação da Toxicidade Aguda e Mutagenicidade ............................ 68
6.3 - Avaliação da Toxicidade Aguda ........................................................... 75
6.4 - Avaliação da Mutagenicidade ............................................................... 76
6.5 - Estimativa da Quantidade de Poluentes Emitidos na carbonização de Eucalipto ....................................................................................................... 79
6.5.1 - Comparação Entre Carvão Vegetal e Carvão Mineral ....................................... 81
6.6 - Medidas de Controle da Poluição ........................................................ 82 6.6.1 - Incineradores ....................................................................................................... 82 6.6.2 - Reciclagem de Gases e Recuperação do Alcatrão ............................................ 84 6.6.3 - Separação dos Pós e Partículas ......................................................................... 85
7 - Bibliografia ...................................................................................... 85
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Introdução
Até a segunda guerra mundial, o carvão era um dos combustíveis mais utilizado
no mundo. A descoberta dos combustíveis derivados do petróleo, que permitiu o
desenvolvimento dos motores a explosão e abriu maiores perspectivas de velocidade e
potência, e o surgimento da energia nuclear, relegaram o carvão a condição de fonte
subsidiária de energia. No entanto, a disponibilidade de grandes jazidas de carvão mineral e
o baixo custo do carvão vegetal ainda conferem a esse combustível um papel relevante
(BARSA, 1998).
O gráfico 1 mostra o quão dependente é o Brasil em termos energéticos da
utilização de carvão mineral como fonte energética. Este argumento já seria suficiente para
maiores incentivos para aumento da utilização do carvão vegetal. No petróleo o governo tem
se esforçado em reduzir a dependência externa, visando até mesmo a auto-suficiência.
Gráfico 1 – Dependência Externa de Energia em % de 1978 até 1999 em função
do tipo de fonte energética. (Balanço Energético Nacional, 2000)
De acordo com o Balanço Energético Nacional (2000) o carvão vegetal vinha
tendo um decréscimo contínuo no seu consumo (8,6 milhões de tonelada em 1994 para 6,7
milhões de tonelada em 1998). A partir de 1999 o setor parece estar se revitalizando com
um suave aumento de 0,2 milhões de toneladas, porém parece que essa condição de
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aumento tenderá a continuar. A explicação mais provável para isso é a desvalorização da
moeda, tornando o preço do carvão vegetal mais interessante do que o do coque mineral,
produto concorrente como fonte energética e redutor químico do minério de ferro durante a
sua produção nos altos fornos do setor siderúrgico.
A siderurgia é responsável pelo consumo de 85% do carvão vegetal, enquanto
que os outros 15% são consumidos nas residências. Considerando o grande consumo
siderúrgico, a qualidade do carvão se torna importante para agregar valor ao produto final
(ferro-gusa). O que torna o setor siderúrgico grande consumidor de carvão, movimentando
este setor da economia. Balanço Energético Nacional (2000)
Ambientalmente o carvão vegetal leva grande vantagem em relação ao carvão
mineral uma vez que é proveniente de uma fonte renovável. Porém os atuais processos de
carbonização não são isentos de poluição.
Entretanto, novas tecnologias do processo de carbonização prometem aumentar
ainda mais esta vantagem ambiental que o carvão vegetal possui em relação ao coque
mineral.
1.1 - Setores Industriais Consumidores de Carvão Vegetal
No ano de 1981, a produção de aço em nível mundial foi de 700 milhões de
toneladas. Na América Latina foram produzidos 27 milhões, sendo que somente Brasil,
México e Argentina foram responsáveis por mais de 70% dessa produção. No caso do
Brasil, a produção de aço apresentou grande crescimento durante o século XX. Essas
elevadas taxas de crescimento foram marcadas por quatro grandes períodos:
Período I: de 1924 a 1946 - a produção evolui de 4,5 mil toneladas de aço
para 324 mil toneladas, sendo a Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira a
principal responsável pela evolução da produção no período. A taxa média
de crescimento é de 22% a.a. A produção é baseada principalmente no uso
de insumos nacionais, como o carvão vegetal.
Período II: de 1946 a 1960 - início da operação da Companhia Siderúrgica
Nacional. Aqui se dá o início da produção de laminados planos e do uso de
insumos energéticos importados, principalmente carvão mineral.
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Período III: de 1960 a 1964 - duas empresas iniciam a produção de aço, a
USIMINAS e a COSIPA. A produção evolui de 1,9 milhões para 3,0 milhões,
com taxa anual de crescimento de 12%.
Período IV: de 1964 a 1980 - a produção evolui de 3 milhões de toneladas
para 15,4, com taxa de crescimento anual de 8,5%.
Sob o aspecto geográfico, 91% da produção de aço bruto se concentram em
três estados: Minas Gerais (35%), São Paulo (32%) e Rio de Janeiro (24%). No que se
refere à produção de gusa, observa-se que somente em Minas Gerais, concentra-se mais
de 55% da produção nacional. O setor siderúrgico pode ser dividido em quatro grandes
blocos:
Usinas integradas a coque: essas usinas produzem mais de 55% do aço
bruto brasileiro. São empresas de grande porte, com capacidade de produção
de 3,5 milhões de toneladas/ano/empresa. O perfil básico é a coqueria – altos
fornos de grande porte.
Usinas integradas a carvão vegetal ou redução direta: produzem aço e
tubos de ferro fundido.
Usinas não integradas: são responsáveis por cerca de 16% da produção
nacional. O perfil de produção é basicamente o forno elétrico ou o sistema
Siemens Martins - Laminação. Utilizam como matéria-prima à sucata.
Usinas para a produção de gusa (produtores independentes): é um setor
cujo produto é exclusivamente o ferro-gusa, destinado à aciaria e fundições.
O carvão vegetal é um importante insumo para diversos segmentos industriais,
tais como os produtores de ferro-gusa, ferro-ligas, aço, silício metálico, cimento, carbureto
de cálcio, e também para uso doméstico. Segundo dados da ABRACAVE, em 1999 esses
setores consumiram 6,5 milhões de toneladas de carvão vegetal, das quais 75% se
originaram de reflorestamento.
Em função das características de cada um desses setores, a produção de
carvão vegetal pode ser dividida em 2 cenários:
Grandes produções: Empresas como Mannesmann, Acesita, Gerdau e
Belgo-Mineira, todas produtoras de aço, têm consumos individuais da ordem
de 70-300 mil t/ano de carvão vegetal. Para garantir o auto-suprimento,
essas empresas possuem extensas florestas próprias. Suas carvoarias,
geralmente com capacidade superior a 5 mil t/ano, são planejadas como
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estruturas de longa vida útil. A mecanização das tarefas é crescente, com o
uso de máquinas e fornos retangulares para 70 a 180 st de madeira por
corrida.
Pequenas produções: Praticadas em florestas de terceiros ou pequenas
áreas próprias, tem caráter itinerante. O abastecimento dos produtores de
ferro-gusa e ferro-ligas se dá dessa forma. As carvoarias, geralmente com
capacidades inferiores a 5 mil t/ano, são planejadas para 2 a 4 anos de vida
útil, e o investimento em máquinas e fornos é mínimo. Predominam os
pequenos fornos de alvenaria do tipo rabo-quente ou encosta, com
capacidade de 12 a 20 st de lenha por corrida.
Teoria da Carbonização
Carvão é um material sólido, poroso, de fácil combustão e capaz de gerar
grandes quantidades de calor. Pode ser produzido por processo artificial, pela queima de
madeira, como o carvão vegetal; ou originar-se de um longo processo natural, denominado
carbonização, pelo quais substâncias orgânicas, principalmente vegetais, são submetidas à
ação da temperatura terrestre durante cerca de 300 milhões de anos e transformam-se em
carvão mineral. Em função da natureza desses processos, o carvão vegetal é também
chamado de artificial, e o carvão mineral, de natural (BARSA,1998).
A carbonização é um processo conhecido há pelo menos 10.000 anos, porém
este processo evoluiu muito pouco durante todo este tempo.
A carbonização pode ser definida como o processo cujo objetivo é aumentar o
teor de carbono fixo na madeira por meio de tratamento térmico. Para que isso aconteça, é
necessária a ocorrência de vários processos, tanto físicos como químicos. Alguns autores
relatam que o processo de carbonização pode ser entendido ao se estudar o
comportamento dos três principais componentes da madeira: a celulose, as hemiceluloses e
a lignina. Compreendendo o comportamento desses componentes, é possível compreender
como se realiza a carbonização.
Durante o processo de carbonização da madeira, o carvão é apenas uma fração
dos produtos que podem ser obtidos. Caso sejam utilizados sistemas apropriados para a
coleta, também podem ser aproveitados os condensados pirolenhosos (líquido pirolenhoso)
e os gases não-condensáveis. A prática mais completa e eficiente, quando, além do carvão
vegetal (resíduo) são aproveitados os condensados e os gases não-condensáveis da
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madeira, denomina-se “denomina-se destilação seca”, podendo ser implantada a partir da
utilização de retortas ao invés dos fornos convencionais.
1.2 - Parâmetros da Matéria-Prima para Produção de Carvão
Sendo a madeira a matéria-prima para a produção de carvão, precisamos
conhecê-la em mais detalhes, para entendermos mais claramente o processo de produção
de carvão.
A qualidade do produto madeira varia naturalmente entre:
1 - Entre espécies
2 - Entre árvores de uma mesma espécie
3 - Dentro de uma mesma árvore
4 - Idade da árvore
Logo o produto carvão gerado sofrerá variação conforme a sua matéria prima.
A utilização da madeira como fonte de redutor de minério de ferro, oferece
certos atrativos tecnológicos conforme JUVILLAR (1982):
1. São isentos de S (enxofre) e isso é vantajoso na metalurgia e ecologia.
2. O carbono produzido em florestas não interfere no equilíbrio da Terra. As
florestas consomem CO2, mas também o desprendem ao queimar-se ou
degradar-se. Além do mais as florestas desprendem O2. Os combustíveis
fósseis produzem CO2 ao queimar, mas consomem O2 em vez de produzí-lo.
3. O carbono produzido nas florestas é perpetuamente renovável, enquanto
exista vida no planeta terra.
4. As florestas geram carbono e o armazenam ao mesmo tempo, de modo que
não é necessário dispor de depósitos adicionais para o produto como
acontece na maior parte dos processos de fabricação de outros
combustíveis.
5. Como desvantagens das florestas como fonte de energia pode-se citar a
necessidade de grandes quantidades de terra e água, o que obriga a vencer
grandes obstáculos não técnicos (políticos, administrativos, etc.)
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O Brasil é um país privilegiado neste contexto, pois possui grande extensão
territorial e intensa insolação.
Os parâmetros mais importantes da madeira para produção de carvão são a
densidade, a umidade, o tamanho das peças, e a composição química que discutiremos em
mais detalhes.
1.2.1 - Densidade Básica da Madeira
A partir do conceito físico mais elementar, podemos conceituar a densidade
como quantidade de massa, expressa em peso, contida na unidade de volume. Em se
tratando de madeira, a densidade pode ser absoluta, expressa em g/cm3 ou Kg/m3, ou
relativa, quando comparada com a densidade absoluta da água destilada, insenta de ar, à
temperatura de 3,98oC, com densidade de 1,0 g/cm3 . Nos sistemas CGS e SI, o número
que exprime a densidade absoluta coincide com o número admensional que exprime a
densidade relativa (VITAL, 1984).
QUADRO 1- Classificação da densidade da madeira de acordo com o FOREST PRODUCTS LABORATORY (1974).
Intervalos de densidade (g/cm3) Tipo de madeira
- a 0,20 extremamente leve 0,20 a 0,25 excessivamente leve 0,25 a 0,30 muito leve 0,30 a 0,36 leve 0,36 a 0,42 moderadamente leve 0,42 a 0,50 moderadamente pesada 0,50 a 0,60 pesada 0,60 a 0,72 muito pesada 0,72 a 0,86 excessivamente pesada
0,86 em diante extremamente pesada
A madeira é um material poroso e o valor numérico da densidade depende da
inclusão ou não do volume de poros. Se a determinação do volume incluir o volume dos
poros, obter-se-à, a densidade aparente; se a determinação do volume não incluir o volume
dos poros, obtêm-se a densidade real ou verdadeira, o que corresponde à densidade da
parede celular, cujo valor é igual a 1,53 g/cm3, independente da espécie. A densidade
básica é aquela que considera a madeira como massa real completamente seca e o volume
verde ou completamente saturado de água; a densidade básica é, pois sempre aparente,
podendo ser absoluta ou relativa (PANSHIN & ZEEW, 1982).
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A densidade da madeira é um dos índices mais importantes a ser considerado
dentre as diversas propriedades físicas da madeira, pois além de afetar as demais
propriedades interfere de forma significativa na qualidade de seus derivados (BRASIL e
FERREIRA, 1971).
A densidade da madeira, bem como as demais propriedades, varia de uma
espécie para outra, dentro da mesma espécie e na direção radial e axial de uma mesma
árvore. As variações da densidade são resultantes das diferentes espessuras da parede
celular, das dimensões das células, das inter-relações entre esses dois fatores e da
quantidade de componentes extratáveis presentes por unidade de volume (PANSHIN e De
ZEEUW, 1980).
As variações da densidade ao longo do tronco são menos consistentes do que
aquelas na direção radial. A proporção de madeira juvenil na direção longitudinal do caule
tende a aumentar. Como resultado imediato à densidade diminui, o que freqüentemente
ocorre em muitas espécies, especialmente em coníferas, em virtude de a formação da
madeira juvenil, ser mais acentuada nas coníferas que nas folhosas. No Eucalyptus grandis,
contudo, comumente a densidade aumenta com a altura, embora um declínio inicial possa
estar presente (MALAN, 1995).
A densidade, porém não deve ser considerada como um índice isolado de
qualidade da madeira. A composição química e as características anatômicas são fatores
que devem ser também considerados (WENZL, 1970; BRASIL et. al., 1977).
Na produção de carvão vegetal, a densidade deve ser encarada sob vários
aspectos, sendo que várias considerações podem ser feitas em torno dela. A densidade da
madeira afeta a capacidade de produção de carvoaria, porque para um determinado volume
de forno a utilização de madeira mais densa resulta em maior produção em peso. Além
disso, madeira mais densa produz carvão com densidade mais elevada, com vantagens
para alguns de seus usos (OLIVEIRA et. al.1982b; e BRITO, 1993).
OLIVEIRA (1988), num trabalho desenvolvido com madeira de eucalyptus fez
algumas correlações entre a densidade de madeira e outros parâmetros anatômicos e
químicos para produção de carvão, são eles:
Aumento de densidade da madeira é acompanhado pelo aumento da
espessura da parede das fibras, redução do lúmem e aumento no
comprimento das fibras.
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À medida que se aumentam os teores de lignina e de extrativos aumenta-se
proporcionalmente a densidade.
Reduz-se a densidade da madeira com aumento do teor de holocelulose.
Madeiras mais porosas produzem carvão de maior porosidade
Madeiras mais densas produzem carvão mais denso.
Estas correlações são importantes, pois ajudam a selecionar a madeira e tomar
os devidos cuidados no manejo da madeira a ser utilizada para produzir carvão.
1.2.2 - Teor de Umidade
Qualquer material lenhoso recém-abatido apresenta uma quantidade
considerável de água, a qual, para a maioria dos casos de utilização, deve ser em parte
removida.
A umidade existente na madeira de uma árvore recém-abatida atinge valores
bastante elevados quando se analisa a massa. Por exemplo, madeiras de espécies do
gênero pinus, podem apresentar de 450 a 700 Kg de água por metro cúbico de madeira, isto
é, 50 a 60% do peso inicial da madeira mais água (OLIVEIRA et al., 1986).
Quando a madeira de uma árvore recém-abatida é exposta ao meio ambiente,
inicialmente evapora-se a água localizada nos vasos, nos canais e no lúmem das células,
que é denominada água de capilaridade ou água livre. Permanece na madeira toda água
localizada no interior das paredes celulares que é chamada água de adesão, e a umidade
correspondente a este estado é denominada umidade de saturação das fibras (GALVÃO e
JANKOWSKY, 1985). Quando este tipo de umidade é removida a madeira sofre alterações
em suas propriedades (GONÇALVES, 1987).
Por outro lado, quando a madeira, previamente seca a 0% de umidade, é
exposta ao meio ambiente, ela absorve a água que está dispersa no ar em forma de vapor.
A água adsorvida corresponde à água de adesão e o teor de umidade final alcançado pela
madeira, que depende das condições do meio a da espécie vegetal considerada, é
denominado umidade de equilíbrio com o ambiente (GALVÃO e JANKOWSKY, 1985).
Existe ainda um outro tipo de água na madeira é a chamada água de
constituição, ela se encontra quimicamente combinada com as substâncias da parede
celular, ou seja, é a água que faz parte da “substancia química da madeira” (GONÇALVES,
1987). A água de constituição não é realmente água até que o material celulósico seja
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aquecido em condições drásticas, onde degradações térmicas ocorram, resultando na
quebra de grupos hidroxílicos para formar água. A água de constituição participa da
natureza orgânica da parede celular e não é removida durante a secagem, porque faz parte
da madeira. Para retirá-la é necessário quebrar a estrutura da madeira ou carbonizá-la. A
água de constituição não desempenha papel importante na inter-relação entre a substância
madeira e a água de sorção, não influenciando nas propriedades físicas e mecânicas da
madeira (SKAAR, 1972)
A umidade da madeira é um fator importante e deve ser muito bem observado
no processo de carbonização da madeira.
A madeira antes de ser carbonizada precisa sofrer secagem. O processo de
secagem consome muita energia, que é fornecida por parte da queima da lenha dentro do
forno, ou da câmara de combustão externa, a depender do modelo do forno. Quanto mais
úmida a madeira maior será a energia necessária para secá-la.
A presença de água na madeira representa redução do poder calorífico, em
razão da energia necessária para evaporá-la, depois o teor de umidade sendo muito
variável, pode tornar difícil o controle do processo de combustão, havendo necessidade de
constantes reajustes no sistema (COTTA, 1996 citando LADEIRA,1992).
Segundo VALENTE (1986) citado por COTTA (1996), a fabricação de carvão
com madeira úmida, origina um carvão friável e quebradiço, provocando a elevação do teor
de fino durante o manuseio e transporte e aconselha carbonizar a madeira com umidade,
base seca, entre 20-30%.
Teores de umidade elevados, principalmente na região central da madeira,
cerne, inevitavelmente provocará fendilhamento no carvão vegetal, predispondo a maior
geração de finos, fato ocasionado pelo aumento da pressão de vapor por ocasião da
transformação da madeira em carvão vegetal (COTTA,1996).
1.2.3 - Tamanho das Peças
Refere-se ao diâmetro e comprimento da madeira a ser carbonizada.
Em termos de diâmetro, qualquer peça de lenha pode ser carbonizada. Por
razões de qualidade do carvão produzido, o diâmetro ideal para carbonização está entre 10
e 20 cm. Diâmetros maiores do que 20 cm podem tornar o carvão muito quebradiço, além
de dificultar o manuseio da peça. Diâmetros menores do que 10 cm dificultam o arranjo das
peças dentro do forno, aumentando o tempo de enchimento, com conseqüência do aumento
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do custo da mão-de-obra. Quanto ao comprimento da peça, ela deve estar de acordo com o
tamanho do forno.
Em termos de comprimento, testes realizados no CETEC (1982), mostraram
uma correlação positiva entre comprimento das peças e geração de finos.
É bastante comum o aparecimento de trincas na região central do carvão.
Principalmente os de grande diâmetro.
As trincas e fissuras internas do carvão são originadas de zonas de
concentrações de tensão na madeira, ocasionada pela grande impermeabilidade da região
central (cerne) das peças. Essa impermeabilidade é devida geralmente ao acúmulo de
resinas nas cavidades da fibra comuns do cerne. (OLIVEIRA, 1982).
Diâmetros e comprimentos maiores de madeira carbonizada proporcionam um
carvão mais friável.
1.3 - Composição Química da Madeira
O tecido lenhoso das árvores é constituído por diferentes tipos de células. As
plantas folhosas possuem uma estrutura mais complexa do que as coníferas, com maior
número de tipos de células. Os principais componentes anatômicos das folhosas são os :
elementos de vasos, responsáveis pela condução de seiva; fibrotraqueídeos e fibras
libriformes, responsáveis pela resistência mecânica da madeira; tecido de reserva,
responsável pelo armazenamento de compostos, e raios, responsáveis pela transferência de
material no sentido radial.
O fenômeno da carbonização pode ser explicado e entendido a partir das
transformações sofridas pelos principais componentes da madeira, a celulose, as
hemiceluloses e a lignina. A madeira se compõe basicamente de oxigênio, hidrogênio e
carbono. O carbono pode representar até 50% da composição da madeira, o oxigênio, 44%,
e o hidrogênio, 6%. Levando-se em conta o percentual que esses três elementos
representam, torna-se fácil entender porque a carbonização pode ser compreendida
conhecendo-se o comportamento da lignina, das hemiceluloses e da celulose, já que esses
componentes são basicamente formados de carbono, oxigênio e hidrogênio.
De acordo com LEWIN e GOLDSTEIN (1991) e TSOUMIS (1991), em termos
médios, as madeiras são constituídas por:
Celulose: 40-45%
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Hemiceluloses: 20-30%
Lignina: 18 - 25% (Folhosas) e 25 - 35% (Coníferas)
Extrativos: 3-8%
Cinzas: 0,4%
A celulose, principal componente da parede celular, é um polissacarídeo linear
constituído de unidades anidro pirano glicose com ligações glicosídicas do tipo Beta 1-4 com
alto grau de polimerização, possuindo uma estrutura cristalina e não ramificada. O seu grau
de polimerização está compreendido entre 9000 e 10000, podendo chegar a até 15000
unidades de glicose. É o composto mais comum na natureza, sendo insolúvel em solventes
orgânicos, em água, em ácidos e em álcalis diluídos, todas à temperatura ambiente (LEWIN
e GOLDSTEIN,1991).
As hemiceluloses também são polissacarídeos e diferem da celulose por serem
polímeros ramificados e de cadeia mais curta, possuem em sua estrutura outras unidades
de açúcar diterentes da glicose como por exemplo, hexoses e pentoses como a manose, a
galactose, a xilose, a arabinose, o ácido 4-o-metilglucurônico,. Geralmente possuem um
peso moléculas menor que o da celulose, o seu grau de polimerização varia de 100 a 200
unidades de açúcares (PETTERSEN, 1984; LEWIN e GOLDSTEIN,1991). São os
compostos da madeira responsáveis pela formação da maior parcela de ácido acético,
durante a decomposição térmica (OLIVEIRA et al., 1982a).
Segundo SHAFIZADEH e CHIN (1977) e (OLIVEIRA et al. 1982a), a 400°C, a
celulose e as hemiceluloses resultam num rendimento em carvão de aproximadamente 10 a
13% respectivamente.
A lignina é um dos três polímeros básicos que constituem a madeira. É um
composto amorfo, tridimensional, de composição química bastante complexa, que se
constitui de unidades de fenil propano, tendo uma cadeia altamente ramificada; é o
componente mais hidrofóbico da madeira. Tem uma função adesiva entre as fibras e confere
dureza e rigidez à parede celular (PETTERSEN, 1984).
As unidades de fenil propano são mantidas juntas, tanto por ligações éter (C-O-
C) como por carbono-carbono (C-C). A ligação éter é predominante, aproximadamente 2/3
ou mais das ligações da lignina são desse tipo e o restante é do tipo carbono-carbono
(SJÖSTRÖN, 1993).
A lignina é um dos componentes da madeira de madeira de fundamental
importância na produção do de carvão vegetal uma vez que o composto que mais contribui
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para a formação do resíduo carbonífero, bem como pela formação do alcatrão insolúvel. A
lignina a 400°C, proporciona rendimentos de aproximadamente 55% de resíduo carbonífero
(OLIVEIRA et al., 1982a).
Os extrativos são componentes que não fazem parte da constituição química da
parede celular e incluem elevado número de compostos. Incluem resinas, açúcares, taninos,
ácidos graxos, dentre outros compostos, os quais influem nas propriedades da madeira.
Assim, a cor, o odor, as resistências ao apodrecimento e ao ataque de insetos, a
permeabilidade, a densidade e a dureza são afetados pela sua presença (PETTERSEN,
1984).
O conteúdo de cinzas é usualmente pequeno, podendo incluir cálcio, potássio,
magnésio e traços de outros. Quanto maior a proporção de matérias minerais na madeira,
maior será a percentagem de cinzas no carvão, fato este pouco desejável, principalmente
quando alguns dos componentes são prejudiciais para fins siderúrgicos. O teor, bem como a
composição química das cinzas pode ser afetada pela disponibilidade de minerais no solo
(ANDRADE, 1993).
Melhores propriedades químicas do carvão, maiores teores de carbono fixo, e
menores teores em substâncias voláteis e cinzas estão associados à madeira com altos
teores de lignina, para determinadas condições de carbonização. Madeiras com altos teores
de extrativos e lignina produzem maior quantidade de carvão, com maior densidade e mais
resistente em termos de propriedades físicas e mecânicas.
1.4 - O Processo de Carbonização da Madeira
Todo o processo de carbonização tem sido alvo de inúmeras pesquisas para
conhecimento dos mecanismos e processos que levam à transformação da madeira em
carvão. Quando se coloca uma peça de madeira sob a ação do calor, ocorre a destruição de
seus principais componentes, resultando na formação de carvão e diversos outros
compostos, dos quais mais de 213 já foram identificados. Para explicar como ocorre a
formação desses componentes, e quais são os mecanismos e reações que acontecem
durante a carbonização, têm-se desenvolvido vários modelos. A carbonização é um
processo que depende do tempo e da temperatura. Assim, pode-se dizer que a formação de
“tiços” durante o processo se dá provavelmente pela não exposição da peça de madeira à
temperatura durante um tempo adequado, gerando, assim, zonas não pirolisadas
(OLIVEIRA et al., 1982a; MEDEIROS E RESENDE, 1983).
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As análises, termogravimétrica e termodiferencial têm sido frequëntemente
usadas nos estudos de decomposição térmica da madeira. A análise termogravimétrica
mostra como a madeira se comporta quando aquecida, sendo possível verificar em que
temperatura é iniciada a decomposição térmica e, ainda, em que faixa de temperatura a
decomposição térmica é mais pronunciada. A análise termodiferencial torna possível a
identificação dos picos e, ou das faixas de ocorrência das reações endotérmicas e
exotérmicas do processo.
1.4.1 - Carbonização da Celulose
A celulose é o componente da madeira mais fácil de ser isolado sendo, portanto,
o componente mais estudado. A celulose produz, sob atmosfera de nitrogênio, 34,2% de
carvão a 300 oC. Este resultado, no entanto, decresce vigorosamente com o aumento da
temperatura, e a 600 oC a degradação da celulose é quase completa, deixando um resíduo
de carvão de somente 5%. Como o processo de carbonização ocorre a temperaturas
superiores de 300 oC, pode-se concluir que a celulose contribui pouco para a rendimento
gravimétrico do carvão (OLIVEIRA et al., 1982a).
Beall e Eickner, citado por OLIVEIRA (1982a) propuseram, com base nos
resultados de termoanálise, que a energia de ativação do processo de decomposição da
celulose é da ordem de 40 kcal/mol. A degradação térmica da celulose nos seguintes
estágios:
Platô entre 155 e 259 oC, correspondente ao aquecimento da celulose, sem
provocar quebra de ligação;
Reações exotérmicas localizadas nas regiões de temperatura, 259 a 380 oC,
389 a 414 oC, 414 a 452 oC. Nestes intervalos de temperatura acorre quebra
da molécula de celulose;
Platô entre 452 e 500 oC, com formação de substâncias estáveis;
Reações endotérmicas entre 500 e 524 oC, indicando o término das reações.
De outra forma, a degradação da celulose pode ser dividida em estágios, onde
se pretende mostrar a ocorrência dos principais eventos de maneira mais geral;
Primeiro estágio, neste período ocorre vigorosa decomposição;
Segundo estágio, a decomposição continua a ocorrer havendo a
volatilização dos produtos formados;
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Terceiro estágio, evolução dos produtos voláteis.
1.4.2 - Carbonização das Hemiceluloses
As hemiceluloses constituem o componente da madeira responsável pela
formação da maior parcela de ácido acético. É o componente da madeira menos estável,
devido à sua natureza amorfa. A decomposição das hemiceluloses se processam em dois
estágios, os quais são (OLIVEIRA et al., 1982a).
Primeiro estágio, a molécula se decompõe em fragmentos menores;
Segundo estágio, neste período ocorre uma despolimerização das cadeias
pequenas, formando unidades do monômero. Há grande formação de
voláteis, tanto a partir do polímero como do monômero então formado.
O fornecimento de calor ao processo produzirá uma mudança brusca no
comportamento das hemiceluloses, pelo menos no que se refere ao rendimento em carvão.
Na temperatura de 500 oC o rendimento em carvão é apenas 10%. Os produtos formados a
300 oC, quando submetidos a temperaturas mais altas, irão sofrer mudanças radicais,
decompondo-se e volatilizando, sendo que a maior parte dos voláteis irão se condensar,
formando a maior fração a 500 oC que é o líquido condensado. O baixo rendimento em
carvão a 500 oC (10%) mostra que as herniceluloses também contribui muito pouco para a
formação de carvão no processo de carbonização em fornos de alvenaria (OLIVEIRA et al.,
1982a).
1.4.3 - Carbonização da Lignina
A lignina é o componente da madeira de mais difícil isolamento, por isso os
estudos relativos ao processo de decomposição são escassos. Os mecanismos de
decomposição da lignina não estão bem definidos, devido à sua estrutura relativamente
complexa, ocasionando rupturas e formação de inúmeros compostos. O comportamento da
lignina frente ao processo de carbonização é o principal responsável pela formação do
carvão. O produto mais importante da decomposição da lignina é o carvão, mostrando a
relação entre lignina e rendimento em carvão. Em temperaturas de 450 a 550 oC se obtém
um rendimento em carvão de 55% (SARKANEN e LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982a).
Esta temperatura é compatível com a temperatura de operação dos fornos de alvenaria, o
que demonstra a importância da lignina na produção de carvão vegetal.
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1.5 - Físico-Química da Carbonização
Como explicado anteriormente, o comportamento da madeira ao ser
carbonizada pode ser explicado pelo comportamento de seus principais componentes. Cada
um deles participa de maneira diferente gerando diferentes produtos, devido à natureza de
sua composição química. A medição da perda de peso ocorrida com a madeira e seus
componentes isoladamente é uma técnica de grande importância para identificar as etapas
que ocorrem durante o processo de carbonização. A degradação da celulose se processa
rapidamente em um curto intervalo de temperatura – cerca de 50oC – provocando drásticas
mudanças no seu comportamento, com a perda de cerca de 77% do seu peso. As
hemiceluloses começam a perder peso em temperaturas próximas a 225oC, sendo o
componente menos estável da madeira, uma vez que a sua degradação é quase completa
na temperatura de 325oC, perdendo peso continuamente sob a ação do calor (SARKANEN e
LUDWIG, 1971; OLIVEIRA et al., 1982a).
A lignina é o componente químico da madeira mais importante quando se
objetiva a produção de carvão vegetal, pois o rendimento gravimétrico do processo está
diretamente relacionado com o conteúdo de lignina na madeira. Esse componente começa a
degradar-se em temperaturas mais baixas, a partir de 150oC, ao contrário da celulose e das
hemiceluloses, cuja degradação é mais lenta. A lignina continua perdendo peso em
temperaturas superiores a 500oC, dando como resultado um resíduo carbonoso. Tal perda é
bem menor que a ocorrida com a celulose e as hemiceluloses (SARKANEN e LUDWIG,
1971; OLIVEIRA et al., 1982a).
As maneiras de agrupar os fenômenos que acontecem durante a carbonização
diferem de autor para autor. Por exemplo, (OLIVEIRA et al., 1982a; MEDEIROS E
RESENDE, 1983) dividiram os fenômenos da carbonização da seguinte maneira:
Zona A: até 200oC, é caracterizada pela produção de gases não
condensáveis, tais como vapor d’água, CO2, ácido fórmico e acético;
Zona B: Compreendida na região de temperatura entre 200 e 280oC. Nesta
zona são produzidos os mesmos gases da Zona A. Neste caso, há
diminuição substancial no vapor d’água e aparecimento de CO. As reações
que acontecem nesta região são de natureza endotérmica;
Zona C: de 280 a 500oC. A carbonização ocorre por meio de reações
exotérmicas. A temperatura a que as reações exotérmicas ocorrem não está
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bem identificada. Os produtos obtidos nesta etapa são sujeitos a reações
secundárias, incluindo combustíveis e alcatrão, CO e CH4;
Zona D: acima de 500oC. Nesta região já existe o carvão. Aqui acontecem
várias reações secundárias, catalisadas pelo leito de carbonização.
Klason e colaboradores citados por OLIVEIRA, (1982a), fizeram a primeira
tentativa de elaborar uma equação química para explicar o processo de carbonização à
temperatura de 400oC. A equação é a seguinte:
2C42H66O28 ==> 3C16H10O2 + 28H2O + 5CO2 + 3 CO + C28H46O9
Essa equação genérica não contém todos os produtos obtidos na destilação da
madeira e, devido ao agrupamento dos condensáveis em um só composto, não permite a
identificação das quantidades de alcatrão e de ácido pirolenhoso. Outros componentes do
carvão, como teor de umidade, cinzas e materiais voláteis, tampouco são abordados. O
quadro 2, ilustra a evolução da carbonização em termos de produtos obtidos em
temperaturas crescentes de carbonização (OLIVEIRA, 1982a).
Quadro 2 - Evolução teórica da carbonização
Parâmetros Secagem Gases oxigenado
s
Início da fase dos
hidrocarbonetos
Fase dos hidrocarb
onetos
Dissociação e
contração
Fase do H2
Temperatura (oC) 150-200 200-280 280-380 380-500 500-700 700-900
Teor de carbono fixo (% B.S.)
60 68 78 84 89 91
GNC (% B.S.) CO2 CO H2 Hidrocarbonetos
68 30 - 2
66,5 30 0,2 3,3
35,5 20,5 6,5 37,5
31,5 12,3 7,5 48,7
12,2 24,6 42,7 20,5
0,5 9,7 80,9 8,9
PCI dos GNC (kcal/m
3)
1000 1210 3920 4780 3680 3160
Fonte (CETEC, 1982)
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A Produção de Carvão de Vegetal
1.6 - Parâmetros de Produção
A carbonização pode ser representada de maneira simples como:
MADEIRA + CALOR = CARVÃO VEGETAL + VAPORES CONDENSÁVEIS +
GASES INCONDENSÁVEIS
Conforme ALMEIDA (1982) o processo de carbonização pode ser dividido em
quatro fases distintas:
1 – SECAGEM: Que consiste na evaporação da água contida na madeira sob
as formas:
Higroscópica, no interior das fibras: até 110 oC.
Absorvida pelas paredes das células: de 110 oC a 150 oC
Quimicamente ligada – de 150 oC a 200 oC
2 – PRÉCARBONIZAÇÃO: Fase endotérmica do processo no qual uma fração
do licor pirolenhoso e pequenas quantidades de gases não condensáveis são produzidas –
de 180 oC a 200 oC até 250 oC a 300 oC.
3 – CARBONIZAÇÃO: Período caracterizado por uma reação exotérmica e
violenta. A maior parte do alcatrão e ácido pirolenhoso são produzidos durante esta fase. De
250 oC a 300 oC.
4 – FASE FINAL: Período caracterizado por um aumento do teor de carbono no
carvão e conseqüentemente um decréscimo no teor de materiais voláteis, com grande
produção de alcatrão
Os parâmetros que influenciam este processo são apresentados a seguir.
1.6.1 - Temperatura Máxima Média
A temperatura de carbonização afeta de maneira diferenciada cada elemento
químico da madeira.
O gráfico 2, apresenta a evolução da conversão da madeira em carvão. Até
200oC, ocorre a secagem e o início da decomposição da celulose e das hemiceluloses,
quando a fase sólida perde cerca de 20% de seu peso. De 200 a 300oC, as reações de
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decomposição se intensificam, e a matriz sólida reduz seu peso a cerca de 40% do valor
inicial. Acima de 300oC, a perda de peso é bem menos intensa, restando, a 500oC, em torno
de 30% do peso inicial sob a forma de carvão. Tanto gases, vapores e matriz sólida são
combustíveis (OLIVEIRA, 1982a).
O teor de carbono eleva rapidamente com o aumento da temperatura de
carbonização, enquanto decrescem os teores de hidrogênio e oxigênio.
Gráfico 2 – Composição elementar do carvão vegetal e rendimento em relação á
madeira seca, em função da temperatura de carbonização.
Fonte: CETEC (1982)
Segundo MIRANDA (1999) citando FLORES LOPEZ e SILVA (1998), a celulose
é degradada rapidamente em um curto intervalo de temperatura, provocando drásticas
mudanças no seu comportamento e perdendo cerca de 77% do seu peso.
A celulose contribui muito pouco para a produção de carvão. Quando
carbonizada a temperatura de 600 oC, a produção de carvão a partir de celulose tende a ser
mínima. Quando o carvão é produzido até cerca de 300 oC (condições de laboratório),
ocorre um aumento no rendimento do carvão proveniente da celulose. A celulose nos
processos normais de carbonização acaba sendo um gerador de produtos voláteis.
As hemiceluloses também contribuem muito pouco para a produção de carvão.
Durante a carbonização da madeira, apresentam um rendimento em carvão em torno de
10% a 500 oC. São muito instáveis devido a sua estrutura amorfa, gerando voláteis e ácido
acético. As hemiceluloses começam a perder peso em temperaturas próximas de 225 oC,
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperatura x Composição Elementar
C
H
O
Rendimento peso carvão/peso madeira (%)
Temperatura
%
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sendo o componente menos estável da madeira, uma vez que sua degradação é quase
completa a 325 oC, perdendo peso continuamente sob a ação do calor.(MIRANDA, 1999).
A lignina começa a se degradar lentamente em temperaturas mais baixas, a
partir de 150 oC e continuam perdendo peso em temperaturas superiores a 500 oC,
resultando em um resíduo carbonoso. A lignina apresenta um rendimento em carvão de
55% quando a carbonização é realizada entre 450-550 oC. Os outros 45% estão divididos
em alcatrão (15%), líquido condensado (20%) e gases não condensáveis (10%). Observem
que a temperatura de carbonização da lignina é a temperatura comum dos fornos utilizados
atualmente para se produzir carvão (MIRANDA, 1999).
Gráfico 3 – Composição do carvão vegetal em função da temperatura de
carbonização.
Fonte: CETEC (1982)
Análises de difração de raio X realizadas no CETEC mostraram que quanto
maior a temperatura de carbonização, a estrutura amorfa do carvão vegetal tende a se
ordenar tendendo a uma “grafitização”.
Conforme mostra o quadro 3, como regra geral o aumento da temperatura de
carbonização resulta em elevação dos rendimentos de líquido e gás, com conseqüente
diminuição do rendimento em carvão. Isso mostra que, com o aumento da temperatura do
carvão, ocorre perda dos voláteis, os quais irão enriquecer as fases líquida e gasosa. Essa
expulsão dos voláteis do carvão provoca um aumento do teor de carbono fixo, ou seja, uma
melhora na qualidade do carvão produzido
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Quadro 3 - Rendimentos gravimétricos (%) obtidos na carbonização da madeira
de Eucalyptus grandis.
Temperatura de
carbonização (oC)
Rendimento em
carvão (%)*
Rendimento em
líquidos (%*)
Rendimento em
GNC (%)*
450 32,89 43,68 23,43
550 28,15 46,73 25,12
700 27,57 46,30 26,13
Fonte (CETEC,1982)
Idealmente, é lógico se pensar na produção de um carvão com alto teor de
carbono fixo, ou seja, um carvão mais concentrado. No entanto, para se obter alto teor de
carbono fixo há necessidade de se introduzirem no processo quantidades sempre
crescentes de energia. Conforme o quadro 4, o ganho obtido com o aumento do teor de
carbono é relativamente grande quando se trabalha em temperaturas baixas. Quando a
temperatura se eleva demasiadamente, o aumento observado no teor de carbono não é
relevante. De acordo com os dados discriminados no quadro acima, ao atingir a temperatura
de 500oC é suficiente para produzir um carvão vegetal com um teor de 89,6% de carbono. A
elevação da temperatura para 1000oC aumenta o teor de carbono para 96,6%. Portanto, a
elevação da temperatura em 500oC resulta num pequeno aumento no teor de carbono (só 7
unidades), sendo, portanto, pouco prática a produção de carvão à temperatura de 1000oC
(OLIVEIRA et al, 1982a).
Quadro 4 - Variação do teor de carbono fixo do carvão vegetal com a
temperatura final de carbonização
Temperatura de carbonização (oC) Teor de carbono fixo (%)
200 52,3
300 73,2
400 82,7
500 89,6
600 92,6
800 95,8
1000 96,6
Fonte: WENZL (1970).
O aumento do teor de carbono fixo do carvão vegetal com o aumento da
temperatura final de carbonização é acompanhado pela redução concomitante do teor de
matérias voláteis, conforme mostrado no quadro 5.
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Quadro 5 - Análise química imediata do carvão obtido a diferentes temperaturas
finais de carbonização
Temperatura de
carbonização (oC)
Teor de carbono
fixo (%)*
Teor de materiais
voláteis (%)*
Teor de cinzas (%)*
450 75,06 21,03 3,91
550 86,53 10,12 3,25
700 89,82 7,25 2,93
(%): em relação ao peso de madeira seca.
Fonte: CETEC(1982)
A composição dos gases de saída do forno de alvenaria também depende
sensivelmente de sua temperatura interna. Até 280oC, desprendem-se gases oxigenados,
que irão ceder lugar aos gases hidrogenados à medida que a temperatura do processo
aumenta. O desprendimento de hidrocarbonetos continua aumentando até a temperatura de
500oC. Com o aumento da temperatura há um enriquecimento do gás, pois ocorre aumento
dos gases combustíveis e diminuição do teor de CO2. Inicialmente, os gases são
oxigenados, representados pelo CO e CO2. À medida que a temperatura aumenta, há uma
mudança na natureza dos gases: inicia-se a formação dos gases hidrogenados,
representados principalmente por CH4. É de se esperar um aumento no poder calorífico dos
gases à medida que se aumenta a temperatura (OLIVEIRA et al, 1982a).
Se a operação de carbonização for interrompida em temperatura pouco inferior a
400oC, procede-se a uma completa vedação do forno. Haverá nova formação de
hidrocarbonetos, enquanto os gases oxigenados e o hidrogênio tenderão a desaparecer
lentamente. Esse fenômeno ocorre durante o esfriamento do carvão no interior do forno.
Quando se fecha o forno naquela região de temperatura, há tendência de aumentar a
pressão interna, e a atmosfera gasosa que envolve o carvão apresenta teor de
hidrocarbonetos e alcatrão da ordem de 80 a 90%. Com o decorrer do tempo, o carvão
absorverá grande parte desse material volátil dando origem ao carvão sólido, podendo
aumentar o teor de carbono no carvão vegetal em 5 a 6%. Com relação à influência da
temperatura de carbonização na recuperação de alcatrão insolúvel, verifica-se que o
aumento da temperatura final do processo aumenta a recuperação do alcatrão. A formação
de alcatrão insolúvel se inicia na faixa de 150 a 200oC, passando por um máximo na faixa
compreendida entre 200 e 340oC. Nesta faixa de temperatura se produz praticamente 90%
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do alcatrão durante a carbonização, até uma temperatura final de 400 a 450oC (OLIVEIRA et
al, 1982a).
1.6.2 - Taxa de Aquecimento
A taxa de aquecimento pode ser definida como a velocidade que a temperatura
se eleva num dado intervalo de tempo, enquanto a madeira é carbonizada.
Quando se processa a carbonização da madeira, a taxa de aquecimento ou
velocidade de aquecimento do processo de carbonização tem grande influência nos
rendimentos gravimétricos dos produtos e também no teor de carbono fixo do carvão vegetal
(CETEC, 1981b)
Experiência realizadas no CETEC (1982) obtiveram resultados interessantes
com relação à taxa de aquecimento, conforme pode ser observado no quadro 6.
Para uma carbonização de 6 horas, que é equivalente ao período de
carbonização de uma retorta contínua, o rendimento em alcatrão insolúvel é de 8,0%,
enquanto que, para a carbonização de 3 dias, correspondente ao período de carbonização
num forno de alvenaria, esse rendimento é da ordem de 2,0%. Daí, pode-se concluir que a
uma determinada temperatura final do processo, a produção de alcatrão insolúvel cresce
sensivelmente com o aumento da taxa de aquecimento. O comportamento do rendimento
em carbono fixo é inverso àquele apresentado pelo alcatrão insolúvel. O rendimento em
carbono fixo para a carbonização de 3 horas é da ordem de 26%, atingindo valores médios
de 31% para a carbonização conduzida num período de 3 e 8 dias. O rendimento em carvão
também é afetado pela taxa de aquecimento. A relação da taxa de aquecimento com o
rendimento em carvão é inversa, ou seja, quando a taxa de aquecimento aumenta, o
rendimento em carvão tende a reduzir (OLIVEIRA et. al., 1982a).
Carbonização:
3 horas 2,3 oC/min
8 dias 2,3 oC/h
6 horas 1oC/min
3 dias 6 oC/h
Quadro 6 - Rendimentos da carbonização a 430oC, a diferentes taxas de
aquecimento
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Taxa de aquecimento
Rendimento em carvão (%)
Rendimento em alcatrão (%)
Rendimento em carbono fixo (%)
2,3 oC/min* 34,1 9,6 26,3
1,0 oC/min* 35,0 7,6 27,2
1,0 oC/min* 34,5 8,0 27,1
6,0 oC/h* 40,8 1,9 31,8
2,3 oC/h* 40,5 1,3 30,2
1,0 oC/min** 37,0 8,4 28,9
0,5 oC/min** 38,1 6,7 28,7
6,0 oC/h** 36,9 2,3 29,3
6,0 oC/h** 36,9 2,4 29,9
2,3 oC/h** 43,6 2,2 33,0
(*) Eucalyptus grandis.
(**) Eucalyptus paniculata.
Fonte: CETEC (1981b)
O rendimento, em peso, do carbono fixo tende a cair quando a velocidade de
aquecimento aumenta.(GOMES, 1982).
Taxas mais elevadas de aquecimento tendem a produzir um carvão mais friável.
Isso é facilmente explicável pelo fato de a cinética de carbonização ser mais intensa
promovendo assim fissuras e trincas no carvão.Taxas lentas de aquecimento promovem
aumento na densidade verdadeira do carvão quando comparados a taxas rápidas de
aquecimento, conforme pode ser observado no quadro 7 (OLIVEIRA, 1988).
Quadro 7 - Resultados da densidade relativa aparente do carvão vegetal
carbonizado a 430oC em diferentes velocidades de aquecimento.
Tempo de
carbonização (horas)
Taxa de aquecimento
(oC/min)
Densidade verdadeira
(g/cm3)
Teor de carbono fixo
(% B.S.)
71,0
2,0
0,1
3,4
0,70
0,46
78,02
78,51
Fonte: (OLIVEIRA et. al., 1982a).
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1.6.3 - Pressão do Forno Durante o Processo
A pressão é um parâmetro de pouca influência para produzir carvão uma vez
que praticamente todos os sistemas de carbonização trabalham com a pressão atmosférica.
Logo o interesse principal neste parâmetro fica restrito a testes de laboratórios. Porém vale
salientar que alguns sistemas como o Forno Container trabalha com uma leve pressão
negativa, logo é de se esperar que haja uma melhora no rendimento do carvão embora não
existam dados científicos que comprovem isto ainda.
Num processo aberto com bastante ar, os gases e vapores formariam as
chamas e a matriz sólida a brasa, como se vê ao se observar à queima de uma peça de
madeira qualquer. Os produtos finais seriam as cinzas, a água e o dióxido de carbono.
Entretanto, enclausurando-se a madeira, não se permitindo a presença de oxigênio e
mantendo-se condições satisfatórias de aquecimento para que as reações de decomposição
ocorram, tem-se a geração de ácido pirolenhoso, alcatrão, gases e carvão. Nos processos
industriais, a distribuição final desses produtos dependerá, portanto, da forma pela qual se
deu o aquecimento. Quando se usa fonte externa de calor para carbonização (processos
alotérmicos), os rendimentos gravimétricos em produtos se aproximam dos obtidos em
testes de laboratórios. Quando a fonte de calor é interna (processos autotérmicos), ou seja,
o calor é proveniente da combustão parcial da madeira e dos próprios produtos da
carbonização, a previsão dos rendimentos é extremamente difícil, devendo ser analisada
caso a caso em função do tipo de equipamento de carbonização utilizado.Com o gráfico 4,
observa-se que a pressão tem influencia sobre o rendimento em carvão (OLIVEIRA et. al.,
1982a).
Gráfico 4 – Rendimento da carbonização em condições de pressão atmosférica
e em recipiente selado.
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25
Fonte: CETEC (1982)
A pressão tem relação direta com o rendimento em carvão e inversa com o
rendimento em alcatrão. Assim, aumentos na pressão do processo fazem com que os
rendimentos em carvão aumentem e os rendimentos em alcatrão diminuam. O mecanismo
de ação da pressão está relacionado com o tempo de contato entre os reagentes, ou seja,
os voláteis e o produto sólido a alta temperatura. Desta forma, quanto maior o tempo de
contato, maior o rendimento em carvão, e vice-versa. Os resultados do quadro 7, ilustram as
variações ocorridas quando se alteram as condições de pressão do processo de
carbonização (OLIVEIRA et. al., 1982a).
Quadro 1 - Rendimentos em carvão em carbonizações realizadas sem e sob
pressão (dados que representam o gráfico 4)
Rendimento em carvão (%)
Temperatura de
carbonização (oC)
Carbonização sem pressão Carbonização em
recipiente selado
160 98,0 97,4
180 88,6 93,0
200 77,1 87,7
220 67,5 86,4
240 50,8 83,0
260 40,2 82,5
280 36,2 83,8
320 31,2 78,7
340 29,7 79,1
Fonte:CETEC(1982)
1.7 - Fornos de Carbonização
Os fornos utilizados para a carbonização da madeira podem ser classificados
das seguintes formas:
Pelo Aquecimento:
o Fornos com aquecimento externo ou alotérmicos
o Fornos com aquecimento interno ou autotérmicos
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Pelo Mobilidade:
o Fornos fixos
o Fornos portáteis
Pelo Continuidade:
o Fornos contínuos
o Fornos por carga ou batelada.
São vários os tipos de fornos existentes, sendo que os mais comuns são os
fornos de alvenaria, como o rabo quente, encosta e o de superfície.
As vantagens destes fornos são:
1. Facilidade de vedação das entradas de ar;
2. Fácil controle da manobra de carbonização;
3. Baixo custo;
4. Fácil construção;
5. A possibilidade de deslocamento acompanhando a exploração florestal;
Os fornos de alvenaria convencionais possuem certas desvantagens que podem
ser enumeradas conforme PIMENTA & BARCELLOS (2000):
1. Baixo rendimento gravimétrico com a consequente subutilização da
biomassa lenhosa;
2. As fumaças da carbonização são liberadas diretamente para o ambiente,
contaminado os trabalhadores e o ambiente circundante;
3. As paredes de alvenaria são más condutoras de calor, o que faz com que
sejam necessários dias para o resfriamento do carvão a temperaturas que
possibilitem manuseio, carga e transporte;
4. O carvão vegetal apresenta qualidade variável, em função da sua posição do
forno, e assim em uma mesma fornada são obtidos carvões em diferentes
estados de decomposição térmica, ou seja, dos tiços no chão do forno até o
carvão com teor de carbono fixo em 80% que se forma na parte superior da
carga enfornada;
5. A carga de lenha e a descarga do carvão são feitas, manualmente, exigindo
grande esforço físico por parte dos trabalhadores;
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6. A produção não leva em conta parâmetros de qualidade de carvão vegetal
importantes para indústria consumidora, tais como, composição química,
poder calorífico, densidade do granel e resistência mecânica;
7. O treinamento de mão de obra é extremamente dificultado em função do
empirismo com que se conduz a carbonização nos forno de alvenaria
coloração de fumaças, temperatura externa das paredes do forno, aparência
dos tatus, etc;
8. Dificuldade de padronizar a rotina de carbonização em fornos de alvenaria;
Os principais fornos de carbonização são descritos a seguir:
1.7.1 - Forno Rabo Quente
O forno rabo quente (figura 1), pela sua simplicidade construtiva e baixo custo é
um dos mais difundidos, principalmente junto a pequenos produtores. Ë recomendado para
locais planos, e geralmente é construído em baterias ou conjunto de fornos. O forno “rabo
quente” é construído utilizando-se apenas tijolos de barro cozido e argamassa de barro e
areia. A argamassa utilizada é uma mistura de terra, areia e água em quantidades qu
produzam um barro fácil de trabalhar. A mistura de areia tem o objetivo de reduzir as trincas
que aparecem no forno durante as carbonizações (CETEC, 1982).
Algumas características deste forno podem ser assim enumeradas
1. Baixo rendimento gravimétrico.
2. O carvão vegetal apresenta qualidade variável, em função da sua posição no
forno, de madeira pouco decomposta (tiços) até madeiras com níveis
elevados de carbono fixo.
3. Controle empírico da carbonização através de fatores subjetivos como a
fumaça e o calor da parede de alvenaria pelo tato do carbonizador. Isso
impede um controle adequado da temperatura e a taxa de aquecimento que
são importantes para a qualidade do carvão.
4. Grande manuabilidade do carvão na descarga o que aumenta a produção de
finos no carvão.
Figura 1 – Esquema simplificado de um forno Rabo Quente
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A operação do forno compreende o seu carregamento, isto é, a colocação da
lenha em seu interior, a carbonização e a descarga do carvão produzido. A utilização de
lenha seca é fundamental para que se tenha uma boa carbonização, pois o teor de umidade
da lenha influi diretamente no rendimento do forno (CETEC, 1982).
Depois de feito o carregamento do forno, procede-se ao fechamento da porta e
o acendimento. O acendimento é feito colocando-se no buraco deixado na parte superior da
porta, materiais que pegam fogo com facilidade, tais como, tiços ou gravetos. No início da
combustão a fumaça sai pelo próprio buraco de acendimento e é de cor esbranquiçada.
Quando a fumaça torna-se escura é sinal que a combustão esta sucedendo, e neste
momento pode-se completar o fechamento da porta (CETEC, 1982).
Depois de fechado o orifício de acendimento, a fumaça começará a sair pelas
“baianas”. No início, a fumaça é branca ou de uma cor meio encardida, tornando-se azulada
com o tempo. Quando a fumaça torna-se azulada significa que a carbonização, ou frente de
carbonização, já atingiu aquele ponto e a baiana deve ser fechada. Como a frente de
carbonização não atinge todas as baianas ao mesmo tempo, elas serão fechadas em
momentos diferentes. Diversos fatores podem contribuir em maior ou menor grau, para o
desenvolvimento não uniforme da carbonização. Entre outros podem ser mencionados o
carregamento mal feito do forno, a lenha não uniforme, tanto em termos de tamanho quanto
em termos de umidade, e as condições climáticas como ventos fortes e chuvas. Todos
esses fatores devem ser contrabalançados por uma vigilância constante do forno (CETEC,
1982).
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Para o descarregamento do forno, a temperatura ideal é de mais ou menos 60
oC. Não se deve abrir um forno que não esteja suficientemente frio, pois a entrada de ar
pode provocar o incêndio do carvão. O tempo ideal de corrida de um forno é de sete dias,
desde o acendimento do fogo até a retirada do carvão. São três dias para carbonizar, três
dias para esfriar e um dia para descarregar/encher o forno. Este tempo também é aplicável
para os fornos a serem explicados a seguir (CETEC, 1982).
1.7.2 - Forno de Encosta
O forno de encosta é uma adaptação do forno rabo quente sendo que é muito
utilizado em regiões de topografia mais acidentada. A principal característica do forno é a de
aproveitar o desnível natural de terrenos acidentados. Para construí-lo corta-se o barranco
com a forma circular, apoiando-se a copa sobre a borda do terreno, que funciona como se
fosse a parede do forno, conforme pode ser observado na figura 2 (CETEC, 1982).
As características quanto a qualidade do carvão produzido são as mesmas do
forno rabo quente.
Figura 2 – Esquema simplificado de um Forno de Encosta
A operação do forno de encosta é semelhante àquela do forno rabo quente. O
acendimento do forno é feito ao igual que no forno rabo quente. O controle da carbonização
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será feita com base na quantidade e cor das fumaças que saem pelas chaminés. Como o
forno possui 3 chaminés e, nem sempre a frente de carbonização desenvolve-se de maneira
uniforme, é possível que o aspecto da fumaça em cada uma das chaminés não seja o
mesmo após algum tempo de carbonização. Para o controle da carbonização procede-se ao
fechamento das entradas de ar, para reduzir a velocidade da frente de carbonização.
Também isto pode-se lograr pelo fechamento parcial das chaminés (CETEC, 1982).
Quando o fumaça torna-se pouco densa e de coloração azulada em
determinada chaminé, fecham-se todas das entradas de ar mais próximas, pois esta é uma
indicação de que a frente de carbonização já atingiu o fundo do forno na região daquela
chaminé. A descarga do carvão só deve ser iniciada depois que o forno estiver
suficientemente frio, valendo as mesmas observações feitas para o forno rabo quente
(CETEC, 1982).
1.7.3 - Forno de Superfície
O forno de superfície (figura 3), é mais utilizado pelos grandes produtores de
carvão vegetal.
As características são muito parecidas com a do forno rabo quente, com a
vantagem de possuir uma chaminé lateral com tiragem central da fumaça do forno,
melhorando as condições térmicas e de fluxo de fumaça dentro do forno.
Além disso não há a necessidade de se controlar a entrada de ar no forno, daí a
inexistência de “baianas”, “tatus” e “filas”, o que simplifica sua operação e diminui o trabalho
de alvenaria (MARRI, et alli, 1982).
O forno de superfície, pelas suas características de construção, apresenta
melhores condições do que os anteriormente descritos para que a frente de carbonização se
propague de maneira mais homogênea e sob melhor controle do operador.
Figura 3 – Esquema simplificado de um Forno de Superfície
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A operação deste forno tende a ser mais simples devido principalmente à
existência de apenas uma chaminé e a possibilidade de utilizar as “filas” e “tatus” para
acompanhar o desenvolvimento da frente de carbonização. Como nos fornos anteriores, no
início da carbonização as fumaças tendem a sair pelas “baianas” as quais devem ser
fechadas. Com o fechamento das “baianas” as fumaças passarão a ser expelidas pela
chaminé, então deverá ser concentrada a atenção do forno. É o aspecto da fumaça que
indica o desenvolvimento da carbonização. Além disso, a propagação da frente de
carbonização pode ser acompanhada avaliando-se a temperatura externa da parede e
através da inspeção visual e sondagem de “filas” e “tatus” (CETEC, 1982).
Ainda assim, por influência de outros fatores como ventos fortes, chuvas, etc., a
propagação da frente não é uniforme, sendo necessário seu controle através do fechamento
das entradas de ar. O procedimento para descarga é o mesmo já descrito para os outros
fornos (CETEC, 1982).
1.7.4 - Forno de Superfície com Câmara Externa
É muito parecido com forno de superfície, porém ele possui uma câmara externa
para o início da carbonização. Na figura 4 mostra um esquema de um forno de superfície.
Neste tipo de forno, o calor para a carbonização da lenha é fornecido pela
queima, na câmara, de lenha ou qualquer outro tipo de material como cascas, galhadas, etc.
que normalmente não são aproveitados (MARRI, et alli, 1982).
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Não havendo queima de lenha no interior do forno, há um melhor
aproveitamento do seu espaço interno, pois toda a lenha enfornada pode ser transformada
em carvão.
Figura 4 – Esquema simplificado de um Forno de Superfície com câmara
externa.
O forno de superfície com câmara, mostrado na Figura acima, não possui
nenhuma entrada de ar, sendo que o controle da carbonização dá-se através da câmara
Diferentemente dos fornos já descritos, o controle da carbonização é feito
exclusivamente através da câmara de combustão, na medida em que esse forno não possui
entradas de ar. Depois de acesa a câmara, o controle da carbonização se dá pela
quantidade de ar que se deixa entrar em seu interior. Com a porta da câmara fechada, a
quantidade de ar é regulada pela abertura da janela na parte inferior da porta. Em princípio,
a câmara deve ser mantida acesa durante toda a fase de carbonização. O controle da
chama na câmara é feito de modo a não permitir e entrada de oxigênio para o interior do
forno, procedimento que evitará a queima da lenha enfornada. A alimentação da câmara
deve, portanto, ser feita de tal maneira que não falte lenha para queima, e que não seja
queimada lenha em excesso. Ao final da carbonização a porta da câmara e a janela
existente em sua parte inferior são fechadas e vedadas com barro, iniciando-se o fase de
resfriamento (CETEC, 1982).
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Como os outros fornos já descritos, o desenvolvimento da carbonização é
acompanhado pelo aspecto das fumaças que saem pela chaminé. Neste caso, quando a
fumaça torna-se pouco densa e de coloração azulada, é indicação de que à frente de
carbonização atingiu o fundo do forno, e a carbonização está no fim.
1.7.5 - Fornos Metálicos
Os fornos metálicos, de diferentes formas e tamanhos, tem a vantagem de
serem móveis, podendo sempre estar instalados próximos às áreas de corte de lenha. Tem
a desvantagem de perder muito calor pelas paredes, dando baixos rendimentos, quando
comparados aos fornos de alvenaria. Em Uganda foi desenvolvido um forno metálico,
modelo MARK. É um forno pequeno, construído com chapas metálicas de 4,0 mm e com
capacidade para cinco estéreos de lenha, produzindo 2 MDC por corrida. O tempo total de
operação é de dois dias, o que permite até 15 corridas por mês. O interessante deste forno
é que ele é constituído de dois anéis e uma cúpula, que são desacoplados após a
carbonização, deixando o carvão sobre o solo. As quatro chaminés fazem um rodízio com
as entradas de ar, após a metade do tempo de carbonização, dando maior homogeneidade
às entradas de ar e às saídas de gases. Este tipo de forno é muito aconselhado para
carbonização de resíduos de madeira, quer provenientes da exploração, quer provenientes
da indústria, como serraria e carpintarias.
1.7.6 - Processos Industriais
1.7.6.1 - Processo Reichert-Lurgí
Desenvolvido por volta de 1935 e também conhecido como processo
DEGUSSA, é na verdade um processo descontínuo, mas como geralmente na planta de
carbonização são operados vários fornos de maneira simultânea, prevalece um caráter
contínuo ao processo como um todo (WENZL, 1970; MONTEIRO, 1979). Na retorta vertical
com um volume de 1000 m3, calor é introduzido pelo topo, através de gases quentes. A
velocidade de carbonização é controlada pela vazão e temperatura dos gases de circulação.
A carbonização se inicia no topo da retorta e avança em direção ao fundo, no mesmo
sentido de fluxo de gás (ALMEIDA e REZENDE, 1982).
Os produtos da destilação são separados dos gases não condensáveis ao
passarem em resfriadores, separadores de alcatrão e lavadores de gases. Parte dos gases
não condensáveis é retirada do sistema para ser usada nos aquecedores de gás ou na
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secagem da madeira. O gás aquecido, a aproximadamente 480 oC, sai dos aquecedores
retornando à retorta para fechar o ciclo dos gases. Ao final do período de carbonização
(cerca de 18 horas) o carvão é descarregado em silos para resfriamento. A secagem da
madeira até cerca de 18% de umidade pode ser feita em um outro forno ou na própria
retorta. A secagem na retorta implica no aumento do número de fornos por planta ou do
volume de cada um dos fornos em 50%, além de aumentar o ciclo de carbonização em
cerca de 6 horas. Em condições normais, com a umidade em torno de 20 a 25%, seis
retortas podem operar com auto-suficiência energética (ALMEIDA e REZENDE, 1982).
Uma dificuldade deste processo é a coordenação entre os diferentes tempos de
secagem, carbonização e resfriamento do carvão, para que se obtenha bons rendimentos
térmicos. Outra dificuldade é a necessidade de grandes equipamentos de condensação e
separação dos gases de circulação e produtos de carbonização (ALMEIDA e REZENDE,
1982).
1.7.6.2 - Processo Sific-Lambiotte
Trata-se de um processo integrado objetivando a produção de carvão, produtos
químicos e ou combustíveis conforme o processamento dado a fração pirolenhosa. O
contato direto de gases de reciclo com a carga, é utilizado não só para propiciar a troca de
calor necessária a secagem final, aquecimento e carbonização da madeira case do
processo FEICHERT-LURGI, mas também para promover o resfriamento do carvão. Desde
1947, a Sociedade de Usinas LAMBIOTTE (USL) vem operando a unidade de carbonização
de Premery (Nievre - França) para produção de 20.000 t/ano de carvão vegetal. Uma
unidade para completar a recuperação e tratamento das frações pirolenhosas é mantida
anexa a usina (ALMEIDA e REZENDE, 1982).
O teor de umidade da madeira recém-chegada da floresta é reduzido até 15%
num forno cilíndrico vertical, pela ação de gases quentes provenientes da combustão de
parte dos gases não condensáveis produzidos na pirólise. Tanto a carga, quanto a descarga
do forno de secagem são automatizadas. A alimentação é feita pelo topo, através de um
SKIP comandado por um controlador de nível de madeira no secador. Da descarga do forno
de secagem, a madeira é colocada em SKIPS, que levam a parte superior do forno de
carbonização. O forno de carbonização é do tipo cilíndrico vertical como o secador e pode
ser dividido em 3 partes (ALMEIDA e REZENDE, 1982):
1. Parte superior: de alimentação, provida de um compartimento estanque, que
impede a entrada de ar e/ou a saída de gás;
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2. Parte intermédia: nesta porção ocorre a carbonização propriamente dita, e aí
estão localizados os dispositivos de insuflação dos gases quentes e de
retomada dos gases e vapores de resfriamento; esses dispositivos foram
criados especialmente para permitir ao mesmo tempo uma circulação
controlada dos gases e um bom escoamento do carvão vegetal, evitando a
formação de pontos quentes;
3. Parte interior: onde ocorre o resfriamento e descarga do carvão. Trata-se de
um compartimento estanque, com válvulas de segurança controladas por
cilindros pneumáticos externos.
Os vapores extraídos do forno de carbonização são resfriados, o licor
pirolenhoso é separado e os gases condensáveis são recuperados. Os gases pirolenhosos
são distribuídos em 4 direções (ALMEIDA e REZENDE, 1982)
1. Uma parte é enviada à zona de carbonização do forno, fornecendo o
suplemento de calor necessário ao processo;
2. Uma segunda parte é utilizada no resfriamento do carvão na parte inferior do
forno;
3. Uma terceira parte é utilizada no forno de secagem;
4. Uma quarta parte excedente ao processo fica disponível para a geração de
vapor.
O licor pirolenhoso, contendo água, alcatrão e os chamados ácidos pirolenhosos
passam por uma série de tratamentos que permitem a recuperação de vários produtos
químicos importantes (ácido acético, metanol, aromatizantes alimentares, solventes, etc.).
Alguns dos produtos podem ser utilizados como combustíveis líquidos de médio poder
calorífico (ALMEIDA e REZENDE, 1982)
1.7.6.3 - Processo IPT
O processo foi desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado
de São Paulo - IPT. Foi instalada uma planta piloto com capacidade para processar 150
kg/hora de cavacos de madeiras leves (eucalipto e pinus) e até 450 kg/hora de material mais
denso (casca de coco de babaçu e pellets de folhas de eucalipto). Também em Teresina
(Piauí) foi instalada uma planta de demonstração para processar 1.000 kg/hora de casca de
coco de babaçu. A matéria-prima é picada ou pelotizada para se obter a granulometria
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adequada ao seu processamento e então enviada ao secador para redução do seu teor de
umidade a aproximadamente 10% (ALMEIDA e REZENDE, 1982)
A energia consumida na secagem é fornecida pelo contato direto de gases
quentes provenientes da combustão de parte dos gases não condensáveis gerados na
pirólise. Do secador a matéria-prima é levada por transportadores de caçamba até o silo de
material seco, e daí, utilizando um outro transportador de caçamba, é enviada ao topo do
forno de carbonização. Devido a utilização de matéria-prima e a insuflação de gases
quentes na porção intermediária do forno de carbonização, o ciclo térmico de produção é
rápido, o que otimiza os rendimentos em condensados. O carvão é descarregado pelo fundo
do forno de carvoejamento para posterior resfriamento, os voláteis são retomados no topo
do forno, passando por condensadores para recuperação do alcatrão e da fração aquosa, e
limpeza do gás não condensável. O gás não condensável é enviado à câmara de
combustão e os gases quentes produzidos retornam ao sistema nos pontos em que o
suplemento de energia é necessário. A rapidez do ciclo térmico induz à produção de um alto
percentual de alcatrão (29%) em detrimento do rendimento em carvão (22%). Um
aquecimento muito rápido da madeira acelera a velocidade da reação de carbonização, o
que provoca uma rápida liberação dos voláteis (ALMEIDA e REZENDE, 1982)
1.7.7 - Forno “Container”
O forno container é um forno de elevada produtividade quando comparado aos
fornos tradicionais. Este forno foi desenvolvido e está sendo aperfeiçoado no Laboratório de
Painéis e Energia da Madeira da Universidade Federal de Viçosa e tem como objetivo
melhorar a qualidade do carvão produzido, aumentar a produção, humanizar o trabalho, e
reduzir os custos.
Segundo PIMENTA e BARCELLOS (2000) o sistema possui as seguintes
características:
Consiste de um sistema durável não necessitando de reparos contínuos como
os fornos de alvenaria tradicionais, podendo ser parcialmente ou totalmente mecanizado.
Possui rápido resfriamento do carvão vegetal (10 horas), contra três a quatro
dias nos sistemas convencionais,
Humaniza o trabalho nas carvoarias, porque a carbonização dura de 8-10 horas,
o trabalho pode ser organizado em turnos e o operador não necessita ficar vigiando a
carbonização dia e noite.
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Os trabalhadores não ficam expostos à inalação das emissões poluentes, pois
pode-se recuperar o alcatrão vegetal e pirolenhosos, utilizando-se o sistema de
condensação. Caso não seja de interesse recuperar o alcatrão, as fumaças do leito de
carbonização podem ser conduzidas a um queimador e incineradas, gerando calor sensível,
que pode ser aproveitado para geração de vapor ou secagem de lenha;
As características deste forno quanto à melhoria da qualidade do carvão podem
ser assim enumeradas:
O controle da carbonização é feito por temperatura e não por coloração de
fumaças e outros critérios subjetivos, permitindo um controle da qualidade do processo de
produção;
A descarga mecanizada do carvão reduz a emissão de finos;
É obtido carvão de boa qualidade no forno container, apresentando o produto,
as mesmas propriedades ou melhores (composição química, densidade, resistência
mecânica, poder calorífico, etc.) do carvão produzido em fornos de alvenaria ou retorta de
laboratório, com a vantagem de que no forno container não são incorporados minerais
estranhos (pedras e terra), como ocorre durante o manuseio do carvão em carvoarias
tradicionais;
.Podem ser obtidos rendimentos gravimétricos em carvão vegetal, na faixa de
35% a 38% contra de 25% a 33% nos fornos de alvenaria tradicionais;
A operação do forno consiste em se encapsular container cheio de madeira dentro
do poço isolante iniciar o processo de carbonização de forma parecida com o forno de
superfície com câmara de combustão externa.
Podem ser executadas carbonizações em até 10 horas e enquanto a
carbonização acontece, o forno está encapsulado dentro do poço de alvenaria. Ao terminar
a carbonização, o container é retirado, podendo ocorrer livre troca de calor com o ambiente
através da camisa metálica, de forma que o carvão rapidamente se resfria. A correta
circulação e exaustão dos gases é garantida por um ventilador que suga a fumaça do leito
de carbonização e a conduz para um sistema de condensação, onde se recupera o alcatrão
e o pirolenhoso. As figuras 5 e 6 mostram o poço de alvenaria, a câmara de combustão e o
forno metálico, o sistema de recuperação de alcatrão a fornalha celular e o secador de
madeira.
Figura 5 – Esquema geral de funcionamento de um forno container
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Figura 6 – Fluxo dos gases de carbonização dentro do sistema de Forno
Container
1.7.8 - Outros Fornos
Existem outros fornos que são utilizados ou que estão em desenvolvimento, são
eles:
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Fornos Retangulares da Vallourec & Mannesman – São fornos de grande
capacidade volumétrica (200 st), construídos para permitirem carga e decarga mecanizada.
Possui o mesmo princípio dos fornos de superfície, porém, devido ao seu grande tamanho,
a cinética de carbonização é bastante irregular dentro do forno, produzindo um carvão com
qualidade muito variável. Possuem sistema de recuperação de alcatrão. O tempo de
residência da madeira no forno e da ordem 12 a 15 dias.
Fornos de Carbonização Contínua em Módulos Horizontais – Conforme
LÚCIO (2000) este modelo de forno consiste em diversos reatores interligados entre si por
um sistemas de válvulas, que permitem o fluxo dos gases pelos reatores, secando a
madeira carbonizando e resfriando. Permite a utilização de qualquer tamanho de madeira.
Os custos iniciais de um sistema deste está na ordem de 150.000 US$. Segundo o autor as
propriedades do carvão são parecidas com as obtidas em retortas de laboratório.
Fornos de Carbonização Contínua em Módulos Verticais – Este forno
consiste em dois reatores verticais sendo um deles em aço inoxidável, com capacidade
mensal de 1250 ton/mês, sendo que no primeiro, a madeira é secada e no segundo
carbonizada. Segundo SCHOUT (2000) a qualidade do carvão obtida com este sistema é a
descrita abaixo:
Carbono Fixo: 85 % a 93%
Poder calorífico 8.100 Kcal a 8.300 Kcal
Voláteis 8-9%
Cinzas Até 2%
Umidade 1 a 5%
Tamanho 3 a 15%
As principais limitações deste sistema são o preço, algo em torno de 2.500.000
US$, e o tamanho das toras que são de 25 a 30 cm de comprimento, exigindo uma grande
mão de obra na serragem dos toretes e perda de matéria-prima (serragem da madeira).
Propriedades do Carvão Vegetal
1.8 - Rendimento Gravimétrico
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O rendimento gravimétrico pode ser definido como sendo o rendimento em
carvão ao final do processo de carbonização considerando a matéria prima (madeira) como
referência para o cálculo.
A fórmula pode ser assim escrita:
RG = [(PMS – PC)/PMS]*100
RG = Rendimento Gravimétrico em %
PMS = Peso de Madeira Seca (Kg)
PC = Peso em Carvão (Kg)
Segundo OLIVEIRA (1988) o rendimento gravimétrico possui:
Correlação positiva com o teor de lignina total e teor de extrativos.
Correlação positiva com densidade básica da madeira. Considerando
que geralmente madeiras com maiores teores de lignina são mais
densas, logo estes fatores são em maior ou menor grau
interdependentes.
Correlação negativa entre largura e diâmetro dos lúmens das fibras.
Outros fatores importantes para o aumento do rendimento gravimétrico são:
Temperatura máxima média na faixa dos 400 oC.
Taxa de aquecimento lenta.
1.9 - Propriedades Químicas
Do ponto de vista da análise química imediata, o carvão vegetal se compõe de
três frações distintas: carbono fixo (CF), matérias voláteis (MV) e cinzas (CZ).
Conforme discutiremos
Quadro 8 - Composição química média do carvão vegetal - 1981 (Base seca - %
do peso)
Componentes Faixa Média Anual
Mínimo Máximo
Carbono 74,8 78,1 76,4
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Cinzas 1,8 2,6 2,1 Materiais Voláteis 19,6 23,3 21,5
Fonte- CETEC/ACESITA (1982)
1.9.1 - Carbono Fixo
O carbono fixo pode ser definido como a quantidade de carbono presente no
carvão.
O rendimento em carbono fixo apresenta uma relação diretamente proporcional
aos teores de lignina, extrativos e densidade da madeira e inversamente proporcional ao
teor de holocelulose. É uma função direta do rendimento gravimétrico e teor de carbono fixo
presente na madeira (OLIVEIRA, 1988).
Segundo CARMO (1988) a quantidade de carbono fixo fornecida por unidade de
madeira é função da percentagem de lignina de madeira. Porém estudos mostram que para
algumas espécies esta afirmativa não se aplica.
Existe uma relação entre carbono fixo e teor de materiais voláteis e de cinzas no
carvão. Uma associação de materiais voláteis e de cinza no carvão resulta em maiores
teores de carbono fixo e vice-versa (COTTA,1996).
O controle da composição química, principalmente do carbono fixo, é importante
pois seu efeito reflete a utilização do forno por unidade de volume. Considerando-se um
determinado alto forno e as mesmas condições operacionais à medida que se aumenta o
teor de carbono fixo do carvão maior é utilização volumétrica do alto forno. Este efeito no
entanto parece ser muito pequeno (ASSIS, 1982).
O efeito do teor de carbono fixo no carvão vegetal é o de aumentar a
produtividade do alto-forno, de forma análoga à densidade.
1.9.2 - Cinzas
A cinza é um resíduo mineral proveniente dos componentes minerais do lenho e
da casca (COTTA, 1996 citando VITAL et alli, 1986).
Geralmente o carvão vegetal apresenta sempre baixo teor de cinzas quando
comparado com o coque mineral (CARMO,1988).
Altos teores de cinzas, bem como os sais que estão presentes na sua
composição, podem prejudicar a produção de ferro-gusa, ferro-ligas e metais não ferrosos,
podendo provocar, no caso do ferro-gusa, o fenômeno da “segregação”.
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Segundo COTTA (1996) citando COLLET(1955), o carvão produzido para fins
siderúrgicos, deve ter uma menor proporção de materiais, pois quanto maior a proporção de
materiais minerais na madeira, maior a produção de cinzas no carvão. O fósforo e o enxofre
são constituintes da madeira, que em determinadas proporções acabam por serem fixados
no carvão, em quantidades inaceitáveis. O teor médio aceitável na constituição do ferro-
gusa, situa-se ao redor de 0,1% (COTTA, 1996) citando (COLPAERT, 1974) nas cinzas.
Segundo COLPAERT, altos teores de elementos minerais no carvão vegetal, entre eles o
fósforo e o enxofre, podem provocar a segregação, que consiste no acúmulo de impurezas,
que na impossibilidade de se deslocarem no metal solidificado, vão sendo repelidas para o
centro das peças, devido a solidificação ocorrer da periferia para o centro, Isto acarreta
variações nas propriedades físicas, químicas e mecânicas dos produtos, tornando-os duros
e quebradiços, menos maleáveis e com campos favoráveis à propagação de fissuras.
Deve-se tomar muito cuidado com as adubações em florestas, para que o níveis
de minerais na madeira seja aceitável, principalmente os de enxofre e fósforo
(COTTA,1996).
1.9.3 - Materiais Voláteis
Os materiais voláteis podem ser definidos como as substâncias que são
desprendidas da madeira como gases durante a carbonização e/ou queima do carvão.
Os fatores que influenciam os materiais voláteis no carvão são a temperatura de
carbonização, taxa de aquecimento e composição química da madeira. (CARMO, 1988).
Sendo a temperatura o principal parâmetro que regula os teores de materiais voláteis e
carbono fixo do carvão.
O efeito das matérias voláteis se dá na modificação estrutural do carvão.
Porosidade, diâmetro médio dos poros, densidade e outras características físicas do carvão
podem ser alteradas drasticamente pela eliminação dos voláteis.
Quanto maior o teor de materiais voláteis, maior expansão gasosa haverá
durante a descida do carvão no alto-forno, gerando mais trincas e maior porosidade. Com o
aumento desta última, as reações de gaseificação tendem a ocorrer no interior do carvão,
ocasionando perda de massa interna. O carvão assim enfraquecido tende a se degradar
com mais facilidade nas condições de operação do alto-forno, aumentando a geração de
finos.
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O teor de materiais voláteis pode influenciar a degradação do carvão no alto-
forno, ao acarretar mudanças na porosidade e na resistência mecânica
1.10 - Propriedades Físicas
1.10.1 - Densidade
No carvão vegetal a densidade é uma propriedade bastante importante, pois
determina o volume ocupado pelo termo-redutor nos aparelhos de redução e gaseificação.
Portanto, a densidade do carvão vegetal deve ser a maior possível. Como o carvão vegetal
é um material bastante poroso, com 70-80% de porosidade, a densidade varia conforme a
técnica de medida.
A densidade do carvão varia de acordo com suas características de
granulometria, e presença de trincas, sendo uma característica muito importante na
qualidade do carvão pois, afetará as demais propriedades do carvão (MENDES et al., 1982).
A densidade do carvão esta relacionada com a densidade da madeira conforme
pode ser observado no gráfico 5 CETEC (1982)
Gráfico 5 – Densidade da madeira e carvão produzidos em fornos convencionais
para Eucalyptus grandis.
FONTE: CETEC (1982)
Existem 3 tipos de densidade que precisam estar bem definidas ao ser falar de
densidade no carvão, são elas:
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1.10.1.1 - Densidade do granel
É a medida da densidade do carvão num dado volume conhecido.
A técnica utilizada para se medir esta densidade, consiste em se tomar uma
caixa de volume conhecido, geralmente de 1 m3,e enchê-la com carvão. O peso total
subtraído do peso da caixa consiste no peso do carvão, por m3. O valor gira normalmente
em torno de 200 a 300 Kg/m3 (MENDES et al., 1982)
Entretanto, vários são os fatores que influem na determinação do valor da
densidade do granel. Entre eles, devem ser ressaltados a distribuição granulométrica do
carvão, a umidade do carvão e as dimensões do recipiente utilizado na determinação do
volume. Além desses fatores, inerentes ao método de medição, a densidade do granel varia
em função da madeira que lhe deu origem, das variáveis do processo de carbonização
como a temperatura e taxa de aquecimento (MENDES et al., 1982)
1.10.1.2 - Densidade Aparente
É a medida da densidade carvão considerando sua porosidade.
A técnica consiste em medir o volume e peso de vários pedaços considerando
os poros internos como ocupados pelo material carvão.
A densidade aparente pode variar com o estado das peças escolhidas. Peças
grandes de carvão vegetal fabricado em fornos de alvenaria podem apresentar trincas
internas bastantes grandes, capazes de mascarar o valor da densidade aparente (MENDES
et al., 1982)
Outra propriedade que merece um enfoque específico é a densidade aparente.
Isto porque quando ela é muito baixa, acarreta uma utilização do volume do alto-forno e uma
menor produção por unidade de volume. O efeito no alto-forno de um aumento de densidade
de 80 Kg/m3 é uma redução de 5,7 Kg/t gusa no consumo específico de carbono. O aumento
da densidade do carvão está estreitamente relacionado com o aumento na densidade da
madeira,
Uma densidade muito baixa do carvão vegetal acarreta menor utilização do
volume do alto-forno e maior produção por unidade de volume. A densidade do carvão
vegetal é cerca de metade da densidade do coque e, quanto mais denso o carvão vegetal
para um mesmo teor de carbono fixo, maior o tempo de residência da carga metálica na
zona de reserva térmica do alto-forno, e maior também a capacidade de carga do
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equipamento em temos de mais carbono carregado por volume. A densidade do carvão
vegetal depende diretamente da madeira que lhe deu origem; assim, mantidas constantes
outras propriedades, para usos siderúrgicos e metalúrgicos, a densidade do carvão vegetal
deve ser a maior possível.
1.10.1.3 - Densidade Verdadeira
É a medida da densidade da substância carvão, considera-se a densidade
aparente descontando o volume de poros internos. A temperatura de carbonização afeta a
densidade do carvão, conforme pode ser observado no gráfico 6.
Gráfico 6 – Resultados da carbonização de Eucalyptus grandis da região de
Caeté – MG
FONTE: MENDES et al., 1982)
1.10.1.4 - Porosidade
Relacionando a densidade verdadeira com a aparente, ter-se-á, então, uma
medida da porosidade do carvão. A porosidade pode ser definida como a quantidade de
poros que o carvão possui é calculado pela seguinte fórmula (MENDES et al., 1982):
P = 100 – 100*(DA /DV)
P = Porosidade em %
DA = Densidade relativa aparente
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DV = Densidade relativa verdadeira
1.10.2 - Resistência Mecânica
A resistência mecânica do carvão é de máxima importância, devido às
numerosas operações de manuseio e transporte que o produto sofre durante seu trajeto dos
fornos de carbonização até os altos-fornos. Também durante o uso nos equipamentos de
redução propriamente ditos, a resistência do carvão vegetal é de grande importância. Com
os choques térmicos que ocorrem durante os processos metalúrgicos, ao se utilizar carvões
de baixa resistência, umidade elevada e alto teor de voláteis estes tendem a gerar finos com
mais facilidade acarretando problemas de permeabilidade da carga.
Um carvão que apresenta uma maior resistência à compressão deverá
apresentar também uma menor degradação durante a sua utilização em um reator.
O gráfico 7, mostra a influencia da temperatura na tensão de ruptura do carvão
Gráfico 7 – Tensão de ruptura do carvão a compressão produzido a diferentes
temperaturas
FONTE: CETEC (1982)
O aumento da resistência a partir de 500 oC pode estar relacionado a vários
fenômenos, a saber:
1. Diminuição de volume que acompanha a carbonização;
2. Modificações no tamanho e forma da porosidade, em tratamentos em
temperaturas elevadas;
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3. Possível rearranjo estrutural do carbono residual, acarretando numa
estrutura de maior resistência;
Já a queda resistência em temperaturas entre 300-500 oC pode estar ligada a:
1. Aumento da porosidade interna devido a extração de voláteis;
2. Tamanho e distribuição dos poros, com o efeito da temperaturas;
Maior extração a 500 oC, de componentes tais como o alcatrão, que mantém
mais aderência das fibras do carvão.
1.10.3 - Friabilidade
A friabilidade é a propriedade do carvão vegetal relacionada à susceptibilidade
do produto em formar finos quando submetido à abrasão e choques mecânicos.
Está relacionada com a umidade, o diâmetro e o comprimento da madeira a ser
carbonizada. Normalmente, teores altos de umidade estão associados a altas velocidades
de expansão de gases durante a carbonização, o que provoca rupturas generalizadas na
estrutura do carvão resultante, aumentando sua friabilidade. Grandes diâmetros na madeira
a ser carbonizada também tendem a gerar carvões mais quebradiços.
A friabilidade ou seja, a maior ou menor resistência do carvão à geração de finos
está relacionada basicamente com o condicionamento da madeira antes da carbonização, a
saber: umidade, diâmetro e comprimento.
Conforme OLIVEIRA (1982), a geração de finos ao longo do processo de
fabricação do carvão, carregamento, transporte armazenagem e peneiramento está por
volta de 25%, assim distribuída:
Carvoarias 3,7%
Carregamento e Transporte 5,8%
Armazenagem 6,3%
Peneiramento 9,4%
Total 25,2%
Gráfico 8 – Relação entre umidade da madeira e geração de finos de carvão
produzidos de madeira de Eucalyptus.
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FONTE – CETEC (1982)
Gráfico 9 – Influência do comprimento das peças de madeira na formação de
finos de carvão < 13 mm. Diâmetro das peças entre 1-6 cm. Teste de tamboramento
FONTE: CETEC (1982)
Já é bastante conhecida a influência do diâmetro da madeira na susceptibilidade
de formação de trincas durante a carbonização. As trincas e fissuras internas do carvão
constituem-se em zonas de concentração de tensão e segundo Tarkov (1978), citado por
MENDES et al. (1982), a fonte de tais concentrações de tensão pode ser atribuída à grande
impermeabilidade da região central (cerne) das peças de madeira. O eucalipto, madeira
dura, contém vasos (100-500 m de diâmetro) e fibras curtas (comprimento de 1 mm e 20
m de diâmetro, com 2-3 m de espessura de parede).
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A transferência de água de uma fibra para outra é feita através de micro-
aberturas (pits), com diâmetros da ordem de m. A capacidade dos “pits” de circular água
depende de uma fibra para outra, depende da idade do tecido onde estão localizadas. Isto
acontece quando localizadas no alburno. Geralmente, no cerne esta transferência é
impedida pelo acúmulo de resinas nas cavidades das fibras (lúmens). Quando uma peça é
carbonizada, o alburno seca rapidamente e a umidade do cerne é retirada com dificuldade
devido a sua menor permeabilidade. Nestas condições a pressão do vapor dos gases
aumenta no interior das fibras, podendo ocorrer ruptura das células fibrosas com
desenvolvimento de trincas. Isto pode ser feito, em especial, com madeira que foi seca
vagarosamente ao ar até o ponto de saturação das fibras, antes de submetê-la à
carbonização. Secagem natural ao ar conduz a um fechamento dos “pits” das fibras do
cerne. É comum em peças carbonizadas com áreas representativas de cerne, que o mesmo
se encontre fissurado, enquanto o alburno não. Ainda segundo Tarkov (1978), citado por
Mendes et al. (1982), qualquer procedimento que atrase a formação do cerne reduzirá a
quantidade de fissuração durante a carbonização. Isso, por sua vez, reduzirá a tendência à
formação de finos devido ao manuseio do carvão. O único modo de controlar a formação do
cerne consiste na utilização de árvores mais jovens. Já se pensa, em algumas empresas do
setor, em cortes com idades entre 4 e 5 anos, pode acontecer que a produção de finos
decresça consideravelmente.
1.10.4 - Umidade ou Higroscopicidade
A umidade contida no carvão vegetal exerce uma grande influência no
rendimento dos processos em que ele é utilizado. O carvão absorve umidade da atmosfera,
principalmente durante as chuvas, perdendo-a parcialmente com sua exposição ao sol.
(OLIVEIRA, 1982).
Uma das conseqüências da absorção de umidade pelo carvão vegetal está na
sua resistência mecânica. Como o carvão é submetido no alto-forno, a um aquecimento
durante sua descida, atingindo a zona de reserva térmica em torno de 800-850 oC, o teor de
umidade deve ter uma ação bastante importante na marcha do aparelho de redução. Altos
teores de umidade estarão associados a uma alta velocidade de expansão de gases,
aumentando a degradação física do carvão vegetal. Assim:
Teor de umidade, trincas e fissuras, degradação do carvão, pressão
Com relação à umidade, pode-se dizer que, quanto maior a umidade, maior a
quantidade de carvão a ser utilizada, ocupando, assim, um volume no forno que deveria ser
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ocupado pela carga metálica (minério). Isso implica a diminuição da produtividade do
aparelho de redução. Um outro fator a ser levado em conta refere-se ao problema
energético, ou seja, a energia gasta para evaporar a água na zona de elaboração.
1.10.5 - Granulometria Média
O tamanho médio do carvão está usualmente relacionado com a permeabilidade
da carga no alto-forno. Granulometrias muito baixas acarretam cargas com baixa
permeabilidade, prejudicando a eficiência das reações metalúrgicas.
Dimensões maiores de um alto-forno de exigem uma granulometria maior do
carvão.
1.11 - Reatividade
Reatividade pode ser definida como sendo a velocidade com a qual, a uma
temperatura determinada, o carbono reage com um gás contendo oxigênio (OLIVEIRA,
1982).
É uma da mais importantes propriedades, ligada à reação de "solution loss".
Quanto maior a reatividade, maior será a taxa de regeneração de CO. A reatividade do
carvão vegetal é 10 vezes a do coque, sendo muito influenciada pela presença de óxidos
minerais, que agem como catalisadores da reação de "solution loss". A reatividade é
influenciada por diversos fatores; todavia, o teor de carbono fixo é um bom indicador da
reatividade de um determinado carvão vegetal, conforme esquematizado abaixo:
Teor de carbono fixo, reatividade
Temperatura de carbonização, teor de carbono fixo, reatividade
A reação de Boudouard ou Reação de Solution Loss é a que se apresenta
dentro dos altos fornos movidos a carvão vegetal (COTTA, 1996). A reação é a seguinte
CO2(g) + C(s) = 2 CO(g)
Sendo que reatividade do carvão está ligada a:
1. Granulometria do carvão
2. Porcentagem de carbono fixo
3. Porosidade
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Os fatores que influenciam a reatividade do carvão no alto forno segundo
OLIVEIRA (1982), são:
1. Geometria do reator (alto-forno)
2. Quantidade de carvão e faixa granulométrica.
3. Tipo de gás reagente (O2, CO2, ar, H20, etc.)
4. Vazão do gás reagente
Nem sempre um carvão mais reativo é melhor para o alto-forno, é necessário
que se haja um equilíbrio entre a redutibilidade do minério de ferro e a reatividade do forno.
Gráfico 10 – Variação da Reatividade com Temperatura de Carbonização
Fonte: CETEC (1982)
1.12 - Poder calorífico
O poder calorífico pode ser definido como a quantidade de calor liberada na
combustão completa de uma unidade de massa de carvão vegetal, expressa em Kcal/Kg
para combustíveis sólidos e líquidos e Kcal/m3 para combustíveis gasosos.
Esta propriedade é de grande importância, principalmente quando se pensa na
utilização do carvão vegetal como fonte de energia em substituição aos combustíveis
derivados do petróleo.
Existem dois conceitos que precisam estar bem definidos: poder calorífico
superior e poder calorífico inferior
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O poder calorífico superior (PCS) é assim chamado quando a água formada
durante a combustão é condensada (recuperação do calor latente de condensação), ou
seja, não se leva em conta o calor necessário para evaporar a água formada durante a
combustão do hidrogênio e a umidade do carvão.
O poder calorífico inferior (PCI) é assim chamado quando a combustão é
efetuada a pressão constante, isto é, ao ar livre; nesse caso, a água de combustão não é
condensada e é a situação que ocorre com a queima direta da madeira.
Na prática, o poder calorífico inferior retrata melhor o comportamento do
combustível, pois, na maioria dos processos, os gases da combustão são emanados em
temperatura acima da temperatura de ebulição da água, carregando consigo uma
quantidade de energia correspondente ao calor latente de vaporização. Por isso, a diferença
entre o poder calorífico superior e inferior está no calor necessário para vaporizar a água;
quando não se forma água na combustão e o combustível não possui umidade, o poder
calorífico inferior é igual ao poder calorífico superior.
O poder calorífico pode ser determinado teoricamente pela composição química
elementar do carvão ou, experimentalmente, em uma bomba calorimétrica.
Em virtude da dificuldade prática de se ter à composição química elementar do
carvão vegetal, algumas equações e correlações, utilizando a análise química imediata, têm
sido propostas e empregadas para determinação do poder calorífico. A fórmula de Goutal
permite calcular o poder calorífico superior do carvão por meio da análise química imediata,
desde que a porcentagem de materiais voláteis não ultrapasse os 40%. A fórmula de Goutal
é:
PCS = (82 C + AV)
PCS = Poder Calorífico Superior em Kcal/Kg
C = Teor de carbono fixo em %
V = Teor de materiais voláteis em %
A = Coeficiente dados pela relação V/V+C conforme quadro 9.
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Quadro 9 - Valores de A em função da relação V/(V+C)
V/(V+C) A
0,05
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
150
145
130
117
109
103
96
89
80
Alguns fatores influenciam o poder calorífico conforme OLIVEIRA (1982), são
eles:
1. Quanto maior o teor de umidade, menor é o poder calorífico. Este fato é
explicado tendo em vista que a madeira com maior teor de umidade
necessitará de maior quantidade de calor para evaporação de sua água. No
CETEC madeira carbonizada com 31 % de umidade obteve 3245 cal/g
enquanto que madeira carbonizada com 14% obteve 4227 cal/g.
2. O carvão vegetal apresenta um poder calorífico dependente da sua
temperatura de carbonização, conforme pode ser observado no quadro 10.
O carvão carbonizado a 500 oC tem um maior poder calorífico do que os
produzidos a 300 oC e 700 oC. Sendo que o 700 oC é maior que o de
300oC.O aumento do calor de combustão de 300 oC para 500 oC , sugere
que o carvão produzido a 300 oC retém “matéria” com baixo valor de poder
calorífico (resinas, alcatrão, etc.) enquanto que a 500 oC, o carvão está
enriquecido com maior teor de carbono fixo e voláteis com alto valor de
poder calorífico. Já a diminuição do poder calorífico de 500 oC para 700 oC,
apesar de apresentar maior teor de carbono fixo, não mais possui os voláteis
de alto poder calorífico.(OLIVEIRA, 1982).
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Quadro 10 - Poder Calorífico do Carvão Vegetal de Eucalyptus grandís em
Função da Temperatura de Carbonização
Temperatura de
Carbonização
300 oC
(kcal/kg)
500 oC
(kcal/kg)
700 oC
(kcal/kg)
1a medida 7012 8109 7647
2a medida 7122 8141 7693
3a medida 7085 8101 7563
4a medida 6980 8199 7720
5a medida 7151 8185 7671
Média 7070 8147 7659
Desvio Padrão 72 44 60
Desvio Padrão (%) 1,02 0,54 0,78
Fonte: CETEC (1982)
Conforme mostra o quadro acima, observa-se que o carvão produzido a 500oC
tem um poder calorífico maior do que os carvões produzidos a 300 e 700oC, enquanto que o
carvão produzido a 700oC tem um poder calorífico maior que o produzido a 300oC
Existe uma correlação positiva entre teor de carbono fixo e poder calorífico, e
uma correlação negativa entre poder calorífico e materiais voláteis.
O Carvão Vegetal na Siderurgia e Metalurgia
O carvão vegetal foi o primeiro combustível utilizado em alto-forno, persistindo
seu uso em países. Atualmente, sua utilização está-se tornando de grande importância
como combustível metalúrgico, uma vez que é derivada de uma das poucas fontes de
carbono capazes de regeneração. A indústria siderúrgica nacional à base de carvão vegetal
data de 1888, quando ocorreu o acendimento do primeiro alto-forno da Usina Esperança,
em Itabirito. O carvão vegetal é essencialmente um insumo de siderurgia, sendo empregado
na produção de 40% do ferro-gusa, 24% do aço e 100% dos ferro-ligas. Seu consumo está
distribuído entre:
1. Produtores independentes de ferro-gusa, 50% do total;
2. Usinas integradas a aço, 23% do total; e
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3. Outros setores (cimento, metais primários, uso doméstico, etc.), 27%
restantes.
Dois fatores segundo OLIVEIRA (1982) interferem negativamente na qualidade
do carvão para uso no gusa:
1. A madeira que naturalmente possui grande variabilidade, sendo proveniente
de florestas heterogêneas.
2. O processo produtivo que não permite um controle eficiente da qualidade;
devido a utilização de fornos primitivos sem qualquer controle operacional.
Dentre as propriedades do carvão vegetal que têm acentuado efeito no
comportamento do alto-forno e de outros equipamentos de redução, destacam-se a
reatividade, densidade, composição química, higroscopicidade e resistência mecânica
(resistência a abrasão, choques mecânicos e compressão).
Variações nas propriedades do carvão dependem da qualidade da madeira (teor
de umidade, densidade, composição química, forma, tamanho e diâmetro), do tipo do
equipamento e das condições operacionais da carbonização (taxa de aquecimento e
temperatura final).
1.13 - O Alto-Forno
Nos últimos anos, grande número de siderurgias tem-se dedicado a estudos
teóricos dos diversos processos ou fenômenos que ocorrem em um alto-forno. Um desses
estudos desenvolveu uma teoria fundada essencialmente sobre os fenômenos térmicos e
químicos associados à redução. Tal teoria permitiu estabelecer pela primeira vez um
esquema de funcionamento ideal para um alto-forno e um modelo matemático para o
mesmo. A conversão direta do minério de ferro em aço e outros produtos, numa só etapa,
não é viável economicamente.
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Figura 7 – Fluxograma simplificado do sistema de produção do ferro-gusa a
partir do carvão vegetal:
Segundo ALMEIDA (1982), a siderurgia pode ser separada em duas etapas:
1. No alto forno, o minério é convertido em ferro-gusa (ferro fundido de baixa
qualidade, frágil e impuro, com 4,5 % de carbono)
2. O ferro gusa pode ser refinado e ligado, tornando-se aço, ou ainda, utilizado
para produção de ferro fundido e outro produtos siderúrgicos.
O carvão tem duas funções no alto-forno:
1. Gerar energia necessária ao aquecimento e fusão de materiais e às reações
metalúrgicas.
2. Produzir um gás redutor que é consumido na redução dos óxidos de ferro.
O alto forno é um reator industrial, empregado para a produção de ferro-gusa,
matéria prima usada na produção de aço e de ferro fundido. Na sua estrutura interna, o alto
forno é classificado em zonas bem distintas, distribuídas em zona granular, zona de
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amolecimento e fusão, homem morto, zona de gotejamento e zona de combustão. É o mais
complexo dos fornos industriais. Possui de 30 a 40 m de altura e 9 m ou mais de diâmetro
interno, podendo produzir, continuamente, até 3.000 t diárias de ferro-gusa. Os altos fornos
podem ser a coque ou a carvão vegetal. De forma geral, no último tipo, para se produzir 1 t
de ferro-gusa, são requeridos 3 MDC, provenientes de 6 st de lenha.
Figura 8 - Esquema simplificado das partes estruturais de um alto-forno
Antes de entrar no alto-forno, o minério de ferro sofre enriquecimento por
pelotização, sinterização ou briquetagem, resultando num minério poroso com mais de 60%
de ferro. O processo de redução no alto-forno tem como finalidade retirar oxigênio do
minério (Fe2O3), reduzindo-o a Fe e ainda separá-lo da ganga. A Figura mais abaixo mostra
uma representação esquemática simplificada do funcionamento de uma instalação de alto-
forno siderúrgico.
Inicialmente, o alto-forno é alimentado pela boca superior com camadas
alternadas de minério e carvão vegetal. São também adicionados fluidentes que têm por
função formar uma escória de baixo ponto de fusão, capaz de absorver as impurezas do
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minério e do combustível. O funcionamento do alto-forno pode ser resumido nos itens
abaixo:
1. O ar para a queima do carvão é injetado pelas ventaneiras (resfriadas a água)
a temperaturas entre 800 e 1.000 oC;
2. Os gases resultantes da combustão do carvão sobem até o topo do alto-forno,
atravessando as camadas de minério e carvão;
3. Na parte superior do alto-forno, o minério e o combustível sofrem secagem e
pré-aquecimento; na parte mediana inicia a redução, completada na parte
inferior. No cadinho, acumula-se o ferro-gusa líquido (1.400 oC);
4. Sobre o gusa líquido flutua a escória, que é mais leve e vaza continuamente
por um orifício de purga situado a altura apropriada;
5. O ferro-gusa líquido é vazado periodicamente (a cada 3 ou 4 h) abrindo-se o
furo de corrida no fundo do cadinho;
6. O teor de ferro que era de 60% no minério passa para mais de 90% no gusa.
O gusa líquido pode ser moldado (lingotes) em forma de areia ou ferro, ou
transferido, no estado líquido dentro de panelas revestidas com refratários, diretamente para
a aciaria, onde é convertido em aço.
COTTA (1996) citando FILHO (1995) descreve mais detalhadamente o
funcionamento interno do alto forno a seguir:
No interior do alto forno, a carga permanece em camadas nítidas e bem
definidas do minério de ferro e do carvão vegetal na zona granular. As propriedades físico-
mecânicas do carvão estão diretamente relacionadas com o bom funcionamento do alto-
forno, pois para suportar o peso das camadas subseqüentes de carvão e minério, evitar a
produção de finos que pode impedir a passagem dos gases e causar engaiolamento, o
carvão deve ser derivado de madeira com alto teor de substâncias extratáveis, lignina e
baixa umidade. O armazenamento do carvão com altos teores de umidade, faz com que
suas propriedades físico-mecânicas sejam alteradas, dando um aspecto de podre, sem
resistência, produzindo muitos finos.
Na zona de amolecimento e fusão, há o amolecimento gradual da carga sólida,
até o início da fusão, quando a escória e o metal líquido goteja através da coluna de carvão,
denominada homem morto, que é uma coluna de carvão vegetal ou coque existente na
baixa cuba do alto-forno. Nesta região há o excesso de carbono e altas temperaturas, que
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torna a região ideal para que ocorra a Reação de Boudouard ou Reação de Solution Loss
que se apresenta a seguir:
CO2(g) + C(s) = 2 CO(g) H = 2100 Kcal/Kg
Esta reação é altamente endotérmica, só ocorrendo em níveis de temperatura
superior a uma determinada temperatura crítica, sendo para o carvão vegetal de 650 oC a
850 oC e o coque de 900 oC a 950 oC. É esta temperatura crítica que determina a reatividade
do carvão, sendo que, como mostrado, o carvão vegetal é mais reativo que o coque.
Na zona de combustão têm-se a queima do carvão vegetal com o oxigênio do
ar, que é injetado pelas ventaneiras. Esta queima, bastante exotérmica é representada pela
reação química abaixo:
C(s) + O2 = CO2(g) H = -8100 Kcal/Kg
Com esta queima, o carbono do carvão vegetal ou coque é liberado na forma de
CO2 que torna a reagir com o C e libera o 2CO que promove a redução indireta. Para que
se tenha um melhor aproveitamento, o carvão deve ter alto teor de carbono fixo, para que na
queima seja liberada a redução do óxido de ferro até ferro metálico. Ë importante citar que o
ferro metálico se funde a 1528 oC, e vai reagindo com o C, formando o Fe3C, que se funde
em temperaturas menores, permitindo o escorrimento do ferro para o exterior do alto forno.
As reações básicas do minério de ferro podem ser assim definidas:
3FeO3 + CO 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2
FeO + CO Fe (gusa) + CO2
O gusa líquido então pode ser moldado em lingotes, ou transferido, no estado
líquido diretamente para aciaria onde será convertido em aço.
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Figura 9 - Esquema simplificado da cinética de formação do gusa em um alto
forno.
Em comparação com o coque, como termorredutor o carvão vegetal caracteriza-
se por alta reatividade e baixo teor de cinzas, o que, junto com outras propriedades,
ocasiona as principais diferenças no funcionamento dos altos-fornos a coque e carvão
vegetal, como mostrado no quadro 11.
Quadro 11 - Diferenças básicas entre o alto-forno a coque e o alto-forno a
carvão vegetal
Parâmetro Coque Carvão vegetal
Temperatura da zona de reserva térmica 900-1.000oC 750-850oC
Tempo de residência da carga metálica 2X X
Basicidade (Ca/SiO2) 1,0 1,0
Volume da escória 260 kg/t 100 kg/t
Poder de diminuição de álcalis Baixo Alto
Temperatura do ferro-gusa 1.500oC 1.400oC
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Em relação ao teor de cinzas, um dos aspectos mais importantes está
relacionado com sua composição. No caso do carvão vegetal, em que o teor de cinzas é
sempre baixo (< 3%), seu efeito sobre a composição final da escória e o volume da mesma
não é tão importante quanto seu efeito catalisador na reação C-CO2.
1.14 - Qualidade do Carvão Vegetal para Outros Fins
A influência da qualidade do carvão vegetal para a indústria de ferro-ligas é
muito similar àquela descrita para o ferro-gusa, em termos do fenômeno da segregação. Na
indústria de carbureto de cálcio (CaC2), o excesso de cinzas no carvão, principalmente de
fósforo, resulta na formação de pedras de carbureto muito quebradiças, que se esfarelam
nas regiões onde estão os minerais. Altos teores de fósforo nas cinzas tendem a prejudicar
os processos de produção de alguns ferro-ligas e também de metais não ferrosos, como o
silício metálico, por exemplo.
Impactos Ambientais do Carvoejamento
A fabricação do carvão vegetal na sua quase totalidade, consiste da
carbonização parcial da madeira em fornos rudimentares de alvenaria que não recuperam
os gases e voláteis produzidos no processo.
A utilização desses sistemas convencionais de carbonização resultam na baixa
conversão em rendimento energético e gravimétrico, normalmente por volta de 50 e 30%,
respectivamente. Esse fato ocorre devido as perdas na forma de fumaça, que também por
serem liberadas para a atmosfera causam uma substancial poluição do ambiente
circundante, afetando o ar, água, solo, vegetação e populações vizinhas às plantas
industriais de carbonização.
Os poluentes contidos na fumaça da carbonização podem ser classificados em
três categorias: pós e partículas em suspensão, gases não condensáveis e compostos
orgânicos condensáveis.
Vários sub-produtos podem ser obtidos da carbonização da madeira, e com isso
reduzir a emissão de compostos poluentes na atmosfera, porém até agora não estão sendo
utilizados devido principalmente ao alto custo para a obtenção dos mesmos em decorrência
das tecnologias para obtenção desses sub-produtos estarem em fase de pesquisa.
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Outro fato importante, é que apesar de ser conhecido a ação poluente desses
compostos, não se tem informações concretas sobre os problemas ambientais que eles
podem causar, devido principalmente à falta de dados sobre as emissões gasosas dos
sistemas convencionais utilizados na produção do carvão vegetal.
Desta maneira, quantificar e avaliar os efeitos negativos provocados pela
carbonização da madeira ao meio ambiente ainda não é possível por causa da falta de
informações disponíveis
Os produtos finais deste processo sob condições controladas são ácido
pirolenhoso, alcatrão, gases e carvão, nas proporções mostradas na figura a seguir.
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Figura 10 - Rendimento Gravimétrico dos Produtos da Carbonização
35%
33%
25%
7% Carvão
Ac. Pirolenhoso
GNC
Alcatrão Insolúvel
O processo convencional de produção de carvão vegetal, é uma atividade que
apresenta um grande potencial de provocar impacto no ambiente, gerando poluentes que
podem ser classificados em três categorias:
Pós e partículas em suspensão: que são constituídos de fuligem, pó de
carvão e cinzas.
Gases não condensáveis ( GNC ): que são compostos principalmente de
CO, CO2, H2 e traços de CH4.
Compostos orgânicos condensáveis ( COC ): são mais de 400 compostos
dissolvidos no ácido pirolenhoso ( Compostos leves e alcatrão ).
Muitos dos sub-produtos produzidos no processo de carbonização são de
grande utilização prática, mas estes produtos não estão sendo utilizados atualmente, devido
principalmente aos baixos preços dos derivados do petróleo e ao alto custo para o
aproveitamento dos mesmos, decorrentes do fato de que as tecnologias utilizadas na
recuperação desses produtos encontram-se ainda em fase de pesquisa.
Pelo fato de não se utilizar estes compostos gerados, é que torna o processo de
carbonização da madeira uma atividade poluidora, entretanto a avaliação dos problemas
ambientais causados, é de difícil compreensão devido principalmente à falta de dados sobre
as emissões gasosas geradas nos sistemas convencionais de carbonização.
Entretanto, a carbonização da madeira é garantia de não emissão de Sox, que
são os causadores da chuva ácida, e com a reposição das florestas plantadas para fins
energéticos, através do seqüestro de carbono, obtém-se um equilíbrio entre a emissão e a
utilização do CO2, que é um dos principais responsáveis pelo efeito estufa.
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Teoricamente a liberação de gases e compostos aromáticos são os principais
problemas da carbonização em sistemas convencionais que utilizam fornos de alvenaria,
porém os efeitos que estes causam ao meio ambiente ainda são incertos, já que existe
pouca informação disponível sobre o assunto.
A falta de medições e monitoramento nos locais de produção de carvão, não nos
permite a obtenção de dados concretos sobre a emissão destes compostos poluentes, o que
não torna possível gerar conclusões sobre o assunto com base científica.
1.15 - Principais Grupos Químicos Poluentes Presentes na
Fumaça
A fumaça gerada no processo de carbonização, contém vários compostos
poluentes, sendo que os principais são os compostos orgânicos condensáveis e os gases
não condensáveis.
Os gases não condensáveis são compostos principalmente de CO, CO2, H2 e
CH4, sendo que dentre esses compostos os mais importantes são o CO2 e o CO.
O CO2 é o principal GNC produzido na carbonização, devido ao grande volume
produzido e também por causa do impacto ambiental que ele pode causar, se nenhuma
medida for tomada para controlar a sua emissão na atmosfera.
Atualmente como a maioria da madeira utilizada na produção de carvão é
proveniente de florestas plantadas e manejadas para esta finalidade, teoricamente o CO2
proveniente da carbonização não é considerado um causador de problemas ambientais,
visto que estudos comprovam que estas florestas manejadas capturam todo o CO2 emitido
pelo processo de carbonização durante os ciclos de corte das mesmas.
O CO contido na fumaça, apesar de apresentar uma baixa concentração, é
considerado um gás nocivo porque mesmo em pequenas quantidades presentes no ar ele
pode causar vários problemas ao ser humano como por exemplo, a redução da habilidade
do organismo para transportar oxigênio, constrição dos músculos e vasos sanguíneos e
stress cardíaco.
Um fato muito importante de se ressaltar é que em residências aonde se utiliza
a madeira queimada como fonte de energia, níveis extremamente altos de CO são
encontrados.
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A presença de SOx na fumaça da carbonização é comprovadamente muito
pequena, estando abaixo dos limites de detecção pelos métodos convencionais de medição
dos efluentes gasosos.
Substâncias contendo NOx são formadas apenas em altas temperaturas de
carbonização, por isso na produção de carvão são encontrados apenas traços desses
compostos visto que normalmente se utiliza temperaturas abaixo de 600 0C.
Figura 11- Porcentagem aproximada dos GNC presentes na fumaça da
carbonização
57%33%
8% 2%
CO2CO
CH4CnHm
Os compostos orgânicos condensáveis são os principais compostos poluentes
presentes na fumaça da carbonização.
Durante o processo de carbonização ocorre a decomposição térmica da
madeira, e parte da fumaça proveniente do leito de reação pode ser condensada, e com isso
obtém-se o licor pirolenhoso. Este licor por decantação é separado em duas fases, uma
aquosa, contendo álcoois, cetonas e vários compostos voláteis de baixo peso molecular; e
outra fase viscosa chamada alcatrão vegetal, composta de água, fenóis voláteis ( creosoto
de madeira ) e piche.
Os COC são um grupo formado por compostos orgânicos agrupados em classes
químicas variadas. A natureza química dos COC tem sido objetivo de vários estudos, porque
o conhecimento das suas propriedades é de grande importância para o desenvolvimento de
aparatos com a finalidade de eliminar ou reduzir de maneira eficiente as emissões de
poluentes durante o processo de carbonização.
Já foram identificados mais de 400 compostos presentes nos COC e, dentre
estes compostos os hidrocarbonetos poliaromáticos ou PAH’s apresentam potencial de
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causar impactos ao ambiente em função de suas propriedades mutagênicas e
carcinogênicas.
Estes compostos estão estreitamente associados com o alcatrão vegetal, tanto
na forma de alcatrão insolúvel como na forma de alcatrão solúvel presentes no ácido
pirolenhoso. A quadro a seguir mostra a composição química das classes de produtos
formados na carbonização da madeira.
Quadro 12 - Produtos da carbonização da madeira
Produtos da Carbonização % B.S
* Carvão ( 86%^CF ) 33,0
* Ácido Pirolenhoso
Ácido Acético
Metanol
Alcatrão Solúvel
Água e outros
35,5
(5,0)
(2,0)
(5,0)
(23,5)
* Alcatrão Insolúvel 6,5
* GNC 25,0
Total 100,0
O alcatrão insolúvel é o líquido negro e denso que se separa do ácido
pirolenhoso, por decantação, após a condensação. Uma importante série de produtos
químicos podem ser obtidos pelo fracionamento do alcatrão. Os compostos que já foram
identificados foram o: benzol, tolueno, xilenol, parafinas, fenol, cresol, pirocatequina,
guaiacol, furfural, ácido acético e metanol
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Figura 12- Composição aproximada dos componentes do alcatrão vegetal
Piche
Água
Siringóis
Guaiacóis
Ác. Acético
Cresóis
Fenóis
Outros
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Piche
Água
Siringóis
Guaiacóis
Ác. Acético
Cresóis
Fenóis
Outros
O ácido pirolenhoso contém praticamente toda a água proveniente da madeira.
A composição final do ácido pirolenhoso é dependente de vários fatores como:
espécie, teor de umidade, idade da madeira e temperatura de carbonização, isto é, quanto
maior a temperatura de carbonização, maior será o grau de decomposição da madeira, e
como resultado a maior produção de vapores que após serem condensados, resultam numa
substancial mudança na composição dos líquidos e gases não condensáveis.
Figura 13 - Porcentagem média das substâncias obtidas a partir do Ácido pirolenhoso
Água
Ác. Acético
Alcatrão Solúvel
Metanol
Acetona
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
Água
Ác. Acético
Alcatrão Solúvel
Metanol
Acetona
Segundo trabalho desenvolvido no CETEC ( 1978 ) foram determinados seis
componentes do ácido pirolenhoso, através de cromatografia gasosa. A composição e o
rendimento desses componentes são mostrados na quadro apresentada a seguir.
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Quadro 13 - Composição e rendimento do ácido pirolenhosos. Média obtida para Eucalyptus grandis idade de 6 a 10 anos, umidade entre 15 e 45%, destilado entre 300 e 7000C
Componentes Teste Metanol Ácido
Acético
Acetona Metil
Acetona
Acetaldeído Alcatrão
Sólido
Análise química do
ácido pirolenhoso (%) 2,85 7,84 0,18 0,29 0,11 7,45
Rendimento em
relação à madeira
seca (%)
1,89 5,17 0,13 0,18 0,07 4,99
1.16 - Avaliação da Toxicidade Aguda e Mutagenicidade
A identificação de compostos químicos produzidos na carbonização da madeira
capazes de promover efeitos deletérios à saúde humana e ao meio ambiente é uma
constante preocupação do ponto de vista ambiental e ocupacional.
A análise direta e identificação dos compostos presentes no licor pirolenhosos
através de uma única técnica é limitada devido ao grande número de compostos presentes
no mesmo. Por este motivo é necessário proceder o fracionamento da amostra em grupos
químicos distintos antes das análises cromatográficas ou espectroscópicas.
Os métodos analíticos utilizados para isolamento e identificação dos compostos
orgânicos condensáveis incluem o uso técnica de fracionamento, cromatografia de adsorção
em coluna ou extração em fase sólida, por exemplo, seguida por caracterização através de
cromatografia gasosa (GC), cromatografia gasosa em aclopamento com espectrometria de
massas (GC/MS), cromatografia líquida (HPLC) ou ressonância magnética nuclear (RMN).
Recentemente, a associação das técnicas de extração com fluido supercrítico e análise por
GC/MS revelou-se uma combinação eficiente para fracionamento e identificação rápida de
PAHs em licor pirolenhoso de Eucalyptus grandis.
A figura a seguir mostra o fluxograma experimental utilizado por PIMENTA para
avaliação do licor pirolenhoso e das frações de Compostos Fenólicos e Hidrocarbonetos
Poliaromáticos.
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Figura 14 - Isolamento de Frações Químicas a partir do Licor Pirolenhoso de E. grandis seguida de Análise por GC/MS e Avaliação da Toxicidade Aguda e Genotoxicidade
Licor Pirolenhoso
Total
Primeira Coluna: Recheada com 6
g de sulfato de sódio e eluída com 35
ml de diclorometano
Segunda Coluna: recheada com 9 g
de Al2O3 neutro e eluída com 30 ml
de n-hexano, 30 ml n-hexano +
diclorometano (5:95 v/v) e 30 ml de
diclorometano + metanol (1:1)
Primeira Fração:
Compostos Neutros
(descartada)
Análise p/ GC/MS
Segunda Fração:
hidrocarbonetos
Poliaromáticos
Avaliação da
Genotoxicidade:
Teste MutatoxTM
Terceira Fração:
Compostos Fenólicos
Avaliação da
Toxicidade Aguda:
Teste Microtox TM
Análise p/ GC/MS
Avaliação da
Toxicidade Aguda:
Teste Daphnia magna
Dos produtos mais tóxicos presentes no alcatrão vegetal, podemos citar os
Hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs) que apresentam considerável atividade cancerígena
e mutagênica.
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Os derivados nitrogenados policíclicos (Aza-arenes) encontrados no alcatrão
vegetal, são citados na literatura por apresentar atividade cancerígena semelhante aos
PAHs.
Dados do EMI (Environmental Mutagen Information Centre) demonstra que 671
poluentes orgânicos estão presentes na atmosfera.
Kalsey em seus estudos classificou estes poluentes em 4 grupos principais:
Grupo 1- Conhecidos cancerígenos.
Grupo 2 - Provavelmente cancerígenos.
Grupo 3 - Substâncias que favorecem o aparecimento de tumores ou
cancerígenas.
Grupo 4 - Mutagênicos.
Segundo KALSEY desses 671 poluentes, 77 são biologicamente ativos, 25
pertencem ao grupo 120 pertencem ao grupo 215 pertencem ao grupo e 350 pertencem ao
grupo 4.
Diferentes compostos identificados no alcatrão vegetal por ESSAYEGH, e citado
por MEZERETTE E GIRARD foram classificados da seguinte maneira:
Sete compostos pertencem ao grupo 1.
Dois compostos pertencem ao grupo 2.
Nove compostos, incluindo os fenóis, pertencem ao grupo 3.
Doze compostos pertencem ao grupo 4.
Isto significa que 30 dos compostos identificados por ele no alcatrão vegetal são
biologicamente ativos e em processos de carbonização aonde a fumaça não é reciclada,
todas estas substâncias são emitidas para a atmosfera.
Atualmente não existem estudos sobre a biodegradabilidade dessas substâncias
produzidas na carbonização, nem sobre um possível fenômeno de decomposição induzida
pela exposição aos raios UV na atmosfera. Sendo desta forma emitidas para a atmosfera
sem nenhum critério e conhecimento do dano ambiental que podem causar.
Para a identificação desses compostos tóxicos presentes em amostras de
interesse por causar problemas ambientais, tem sido utilizados o acoplamento de bioensaios
rápidos com análises químicas. Estes bioensaios são ferramentas valiosas utilizadas na
avaliação dos efeitos de muitas substâncias poluentes a organismos vivos.
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Os bioensaios mais utilizados são o teste MicrotoxTM e o teste de Imobilização
de Daphnia magna em 24 horas que apresentam boa sensibilidade e são adequados para
avaliar a toxicidade aguda de diferentes classes de poluentes. O teste MicrotoxTM é um
bioensaio bem mais rápido e conclusivo quando comparado a outros testes que utilizam
peixes ou invertebrados. Os efeitos genotóxicos causados por poluentes em organismos
vivos podem ser avaliados rapidamente através do teste MutatoxTM.
Em trabalho realizado por Pimenta, utilizando-se retorta elétrica de laboratório
para carbonizar madeira de Eucalyptus grandis com idade de 7 anos a uma temperatura
final de 450 0C com taxa de aquecimento média de 56,3 0C/hora ( Tempo total de
carbonização de aproximadamente 8 horas ), aonde as fumaças foram condensadas
obtendo-se o licor pirolenhoso.
Quadro 14 - Rendimentos da carbonização da madeira de Eucalyptus grandis.
Produtos Rendimentos (% B.S.)*
Carvão
Licor pirolenhoso
GNC
38,5
45,5
16,0
TOTAL 100,00
* Médias de 4 repetições
O licor pirolenhoso foi analisado utilizando-se cromatografia de adsorção em
coluna e obtidas uma fração contendo os fenóis voláteis (creosoto de madeira) e outra
contendo os hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs). Posteriormente essas frações foram
analisadas por GC/MS, identificando-se os compostos nelas presentes.
O teste de Imobilização de Daphnia magna em 24 horas e o teste MicrotoxTM
(Microbics Corporation, Carlsbad, USA ) foram utilizados para avaliar a toxicidade aguda do
licor pirolenhoso total e da fração fenólica. Já para avaliar a mutagenicidade ou
genotoxidade do licor pirolenhoso total e da fração de PAHs foi utilizado o teste MutatoxTM (
Microbics Corporation, Carlsbad, USA ).
A figura 14 vista anteriormente mostra o fluxograma do esquema experimental
utilizado para avaliar o licor pirolenhoso e as frações de PAHs e fenóis.
As análises das frações de PAHs e fenóis isoladas do licor pirolenhoso foram
realisadas por GC/MS.Para quantificação uma mistura padrão ( Accu Standard, contendo os
16 PAHs incluídos na lista de poluentes prioritários da U.S. EPA, Agência Americana de
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Proteção Ambiental ), mostrados no quadro a seguir. Os compostos listados são
considerados como uma família e normalmente ocorrem juntos em efluentes gasosos da
queima ou pirólise de combustíveis.
O Carcinogen Assessment Group da U.S. EPA designou a maioria dos
Hidrocarbonetos Poliaromáticos como potencialmente carcinogênicos.
Quadro 15 - HidroCarbonetos Poliaromáticos
Hidrocarbonetos Poliaromáticos (PAHs)
Acenaphtene Acenafteno
Acenaphtylene Acenaftileno
Anthracene Antraceno
Benz[a]anthracene Benzo{a}antraceno
Benzo[a]pyrene Benzo[a]pireno
Benzo[b]fluoranthene Benzo[b]fluranteno
Benzo[g,h,i]perylene Benzo[g,h,i]perileno
Benzo[k]fluranthene Benzo[k]fluoranteno
Chrysene Criseno
Dibenz[a,h]anthracene Dibenz[a,h]antraceno
Fluoranthene Fluoranteno
Fluorene Fluoreno
Indene[1,2,3-c,d]pyrene Indeno[1,2,3-c,d]pireno
Phenanthrene Fenantreno
Pyrene Pireno
Além desses compostos foram quantificados também o dibenzofurano, os
metilfluorenos, os metilfenantrenos, os metilfluorantenos ou pirenos e o benzo[e]pireno.
No quadro a seguir são mostrados compostos presentes na fração fenólica
isolada e suas respectivas concentrações.
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Quadro 16- Composição da Fração Fenólica do Licor Pirolenhosos de E. grandis
Composto Rendimento (% p/p )*
1. Butyrolactona
2. Fenol
3. Cicloteno
4. O-cresol
5. m-and-p-cresol
6. Guaiacol (2-metóxi-fenol)
7. Maltol
8. 2,4-xilenol
9. 4-metil-guaiacol
10. 4-etil-guaiacol
11. Siringol (2,6-dimetóxi-fenol)
12. 4-propil-guaiacol
13.1,2,3-trimetil-benzeno
14. 4-metil-siringol
15. 4-etil-siringol
16.4-alil-siringol
17. 4-propil-siringol
18.Ácido 3,4-dimetóxi-benzóico
19. Ácido 3,4,5-trimetóxi-benzóico
20. Outros Compostos
0,26
0,38
0,13
0,59
1,75
1,44
0,26
0,27
2,11
3,02
16,6
10,0
9,96
15,5
11,0
0,23
4,16
0,68
1,31
20,3
TOTAL 100,0
RENDIMENTO TOTAL (% p/p)** 8,59
*(%) peso/peso em relação ao peso total de fração fenólica **(%) peso/peso em relação ao peso inicial de licor pirolenhoso
O Quadro Abaixo mostra os PAHs isolados a partir do licor Pirolenhoso. Dentre
os 16 poluentes prioritários listados pela EPA, apenas o acenafteno e o acenaftileno não
foram identificados, estando todos os outros PAHs presentes juntamente com o
dibenzofurano, os metilfluorenos, os metilfenentrenos, os metilfluorantenos ou pirenos e o
benzo[e]pireno.
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Quadro 17 - PAHs presentes no licor pirolenhoso de Eucalyptus grandis
Componentes Concentrações (ug/g)
1. Difenzofurano 4,52
2. Fluoreno 7,03
3. Metil-fluorenos 16,1
4. Fenantreno 3,92
5. Antraceno 2,10
6. 3-metil-fenantreno 1,43
2-metil-fenantreno 1,88
4-metil-fenentreno 2,33
1-metil-fenentreno 1,14
7. Fluoranteno 1,05
8. Pireno 1,21
9. metil-fluorantenos ou pirenos 3,16
10. Benz[a]antraceno 0,53
11. Criseno + Trifenileno 0,51
12. Benzo[b]fluoranteno 0,24
13. Benzo[k]fluoranteno 0,18
14. Benzo[e]pireno 0,19
15. Benzo[a]pireno 0,24
16.Perileno 0,14
17. Indeno{1,2,3-cd]pireno 0,32
18. Dibenzo[a]antraceno 0,31
19. Benzo[g,h,i]perileno 0,33
TOTAL 48,9
Coef. de Variação(%) [n=4] 9,6
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FIGURA 15 - Estruturas de alguns PAHs presentes no Licor Pirolenhoso
FIGURA 16 - Intercalação de um Hidrocarboneto Poliaromático no DNA
1.17 - Avaliação da Toxicidade Aguda
Para se avaliar a toxicidade aguda do licor pirolenhoso e da fração fenólica
foram conduzidos dois bioensaios: o teste de imobilização de Daphnia magna
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76
(microcrustáceos de água doce) em 24 horas de exposição ao contaminante e o teste
MicrotoxTM. No teste com Daphnia magna, são avaliados os efeitos tóxicos do poluente alvo
sobre a capacidade de locomoção deste crustáceo na água. O teste é conduzido a 20 0C e
em completa escuridão. A porcentagem de crustáceos imóveis após 24 horas é plotada
contra a concentração do contaminante em papel logarítmico, sendo obtida uma relação
para cada grupo de animais expostos a concentrações crescentes do contaminante. Os
resultados são expressos como EC50, que é a concentração estimada para imobilizar 50%
da população após 24 horas de exposição.
O teste MicrotoxTM utiliza as bactérias marinhas luminescentes Photobacterium
phosphoreum e se baseia na redução da luz emitida pelas cepas em função de
concentrações crescentes da amostra tóxica. Os dados de toxicidade são coletados após 30
minutos de exposição ao poluente a 15 0C. Mudanças na intensidade da luminescência são
monitorados com o espectrofotômetro Microbics 500. Os resultados de toxicidade são
expressos como EC50 , que é a concentração estimada para reduzir em 50% a luz emitida
pelas bactérias. O Quadro 18 mostra os resultados dos testes de avaliação da toxicidade
aguda do licor pirolenhoso de Eucalyptus grandis e da fração fenólica a organismos vivos. O
teste MicrotoxTM foi o mais sensível mostrando que nas concentrações de 19 e 6 mg/L, o
licor pirolenhoso e a fração fenólica, respectivamente, apresentaram efeitos tóxicos a células
vivas. Observou-se que Daphnia magna foi capaz de suportar concentrações de licor
pirolenhoso e fenóis, aproximadamente dez vezes superiores àquela tolerada pelas
bactérias do teste MicrotoxTM
Quadro 18 - Resultado dos teste de avaliação de toxicidade aguda
Amostra Daphnia magna 24-horas EC50
Teste MicrotoxTM 30-min EC50 (mg/L)
Licor Pirolenhoso Total 170 (105-235)* 19 (15-21)
Fra;cão Fenólica 68 (33-103) 6 (5-7)
* Intervalo de Confiaça para EC50 com 95% de probabilidade
Fonte : Pimenta et al. (1999)
1.18 - Avaliação da Mutagenicidade
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Para avaliar a mutagenicidade do licor pirolenhoso e da fração de PAHs foi
utilizado o teste MutatoxTM, também desenvolvido em escala comercial pela Microbics
Corporation. Esse teste utiliza a linhagem M169 liofilizada da bactéria luminescente Vibrio
fisheri, após reidratação. A linhagem M169 é incapaz de emitir luz a não ser que sofra
mutação genética. Diferentes efeitos mutagênicos, tais como, inibição da síntese do DNA,
substituição de bases, danos ou alterações na estrutura do DNA e intercalação na estrutura
do DNA, resultam em emissão de luminescência por esta linhagem de bactéria. Desta
forma, efeitos mutagênicos podem ser detectados através da capacidade que um
determinado poluente tem de restaurar o estado luminescente das bactérias M169. Este
bioensaio pode ser conduzido diretamente ou após ativação metabólica exógena com
homogenato de fígado de rato (S9). Os procedimentos do teste incluem uma diluição inicial
da amostra de 50% no meio de cultura MutatoxTM, seguida por oito diluições adicionais
conforme o método desenvolvido e validado pela Microbics Corporation para amostras
ambientais. A luz emitida pelas bactérias nos meios de controle, nos solventes de controle e
nas amostras diluídas são medidas após 16,20 e 25 horas de incubação a 27 0C. Mudanças
na luminescência são monitoradas com o espectrofotômetro Microbics 500. Todas as
amostras foram avaliadas com e sem ativação metabólica exógena usando o homogenato
de fígado de rato (S9). Controles positivos e negativos foram utilizados para mensurar a
sensibilidade do ensaio, consistindo de uma solução de fenol em metanol na concentração
de 200 mg’L como controle de genotoxinas sem adição de S9, e uma solução de 2-
nitroguanidina em dimetilsulfóxido (DMSO) como controle para progenotoxinas com adição
de S9.
O acréscimo na intensidade de luz emitida pela linhagem M169 neste teste
indica o grau de mutagenicidade ou genotoxicidade que são avaliados de acordo com os
critérios estabelecidos por JOHNSON. A resposta é dita positiva quando a emissão de luz
for no máximo 100 e no mínimo 3 vezes maior que a média da emissão de luz do controle
negativo. O DRN (dose response number) ou número de resposta à dosagem é definido
como o número de respostas positivas obtidas a diferentes concentrações do poluente por
série de diluições e o DRN médio a partir das incubações a 16, 20 e 24 horas é também
calculado. A LDCV (lowest detected concentration) ou concentração capaz de causar efeitos
genotóxicos por série de diluições. Assim, tendo em conta esses valores, uma amostra é
dita genotóxica ou mutagênica quando o DRN médio das incubações a 16, 20 e 24 horas for
maior ou igual a 3 e um mínimo de duas respostas positivas em diferentes concentrações. A
amostra é dita supostamente genotóxica quando o DRN for menor que 3 e maior que zero e,
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finalmente, não genotóxica quando não há resposta positiva nas séries de diluições em 16,
20 e 24 horas.
Avaliando-se os efeitos mutagênicos do licor pirolenhoso e da fração de PAHs
pelo teste MutatoxTM , observou-se que o licor pirolenhoso bruto não apresentou quaisquer
desses efeitos com ou sem ativação metabólica exógena por adição de S9. Também a
avaliação direta da fração de PAHs não levou à detecção de efeitos genotóxicos. Entretanto,
o quadro 5 mostra que, após ativação por adição de S9, resultados claramente positivos de
genotoxidade para a fração de PAHs foram obtidos nas séries de diluições com doses na
concentração de 1/400, após 16, 20 e 24 horas de incubação e também na concentração de
1/800. O DRN calculado foi igual a 1,6, o que leva a concluir que a fração de PAHs isolada a
partir do licor pirolenhoso é supostamente genotóxica com uma concentração mínima
detectada (LDC) de 375ug/L. Em outras palavras, a partir dessa concentração a fração de
PAHs é capaz de induzir mutações na linhagem M169 das bactérias Vibrio fisheri.
Quadro 19 - Resultados do teste MutatoxTM para a fração de PAHs do Licor Pirolenhoso de Eucalyptus grandis
Parâmetros Direta Após Ativação (S9)
Número de Resposta à dosagem (DRN s.d.) 0 1,6 0,58
Concentração Mínima Detectada LDC (ug/L) 0 375
Tempo* (horas) 0 16,2
Avaliação Não Genotóxico Supostamente
Genotóxico
* Tempo de Exposição
Observou-se que os PAHs estão em concentrações da ordem de ppm no licor
pirolenhoso, enquanto a concentração mínima detectada (LDC) capaz de causar efeitos
mutagênicos foi da ordem de ppb. De acordo com PAKDEL & ROY, no licor pirolenhoso, os
PAHs e também a fração fenólica estão em íntima associação com o piche do alcatrão e
apenas traços de PAHs podem ser encontrados na fração aquosa. Esse fato poderia
explicar os resultados negativos obtidos para a avaliação do licor pirolenhoso de Eucalyptus
grandis, uma vez que os PAHs estão fortemente adsorvidos no piche isso os tornaria menos
disponíveis para o contato com as bactérias. Outra possibilidade seriam interações
antagônicas com outras classes de compostos que seriam capazes de suprir os efeitos
genotóxicos dos PAHs. Esse tipo de interação antagônica foi relatado anteriormente para
amostras ambientais complexas.
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1.19 - Estimativa da Quantidade de Poluentes Emitidos na
Carbonização de Eucalipto
Não pode ser definida uma regra geral para a produção de substâncias nos
processos de carbonização porque são várias emissões diferentes resultantes da utilização
de vários tipos de fornos e também diferentes conduções dos processos. Entretanto, sabe-
se que os níveis máximos das emissões ocorrem durante a fase exotérmica do processo,
quando a madeira passou por muitas transformações.
Em relação às emissões um dos parâmetros mais importantes da carbonização
é a temperatura final do processo. Em temperaturas elevadas o rendimento em carvão
vegetal diminui, enquanto o rendimento em gases e líquidos condensáveis aumentam.
Como foi citado acima, outro fator importante quanto a emissão dos efluentes é
o tipo de forno utilizado no processo. Carbonizações realizadas em retortas geram menor
quantidade de gases do que os processos convencionais, e quando utiliza-se a reciclagem
de gases quentes a emissão torna-se bem menor e conseqüentemente melhora a eficiência
do processo.
É de fundamental importância a quantificação das emissões gasosas, pois a
maioria dos processos não utilizam o sistema de reciclagem de gases gerando grandes
quantidades de compostos nocivos. Dentre esses compostos podemos citar o CO2 e CO
que estão presentes em grandes quantidades na fumaça da carbonização, conforme
mostrado no quadro a seguir.
Quadro 20 - Emissões do Processo de Carbonização
Composto Fator de Emissão (Kg/t de carvão)
CO2
CO
Breu
Ácidos
Hidrocarbonetos
Compostos Fenólicos
Compostos Furfurílicos
Hidrogênio
370 - 1100
140 - 320
100 - 260
60 - 180
50 - 70
6 - 13
4 - 25
4 – 15
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Em estudos realizados na França por MEZERETTE & PHILIPPE utilizando-se
duas espécies arbóreas (Carvalho e Abeto) na produção de carvão, estimou-se a
concentração de Substâncias Orgânicas Policíclicas, nas quais estão incluídas os PAHS,
em 50 mg/Nm3, com um fator de emissão de 1,35 Kg/ton de carvão obtido, o que é muito
alto considerando a toxicidade destas substâncias.
Medições diretas dos Compostos Orgânicos Nitrogenados não foram realizadas,
entretanto, segundo ESSAYEGH, citado por MEZERETTE E GIRARD estes grupos de
compostos são responsáveis por 2,4% do alcatrão. Apesar de não serem quantificados
diretamente, por extrapolação dos resultados obtidos nestes estudos, o fator de emissão
para esses compostos podem ser estimados em 0,8 Kg/ton de carvão obtido.
Estudos realizados para estimar a quantidade de poluentes emitidos na
carbonização de Eucalyptus grandis foram realizados por PIMENTA. Considerando que por
volta de 12,5 x 106 toneladas de lenha de eucalipto são consumidas anualmente no Brasil
para produção de carvão vegetal, e de acordo com os fatores de emissão demonstrado em
seu trabalho e apresentados no quadro abaixo:
Quadro 21- Fator de Emissão dos principais poluentes emitidos na carbonização de Eucalyptus grandis
Principais poluentes Fator de Emissão (Kg/ton)*
Licor Pirolenhoso Total 465
Fenóis 40
PAHs 0,02
GNC 160
* Em relação ao peso de lenha seca
Estimamos que as emissões teóricas dos principais poluentes que são liberados
para o ambiente a partir dos fornos de carbonização de lenha são as seguintes conforme
demonstrado no quadro abaixo.
Quadro 22 - Estimativa das Emissões Teóricas dos Principais Poluentes Emitidos na Carbonização de Eucalyptus grandis
Principais Poluentes Emissões Teóricas (ton/ano)*
Licor Pirolenhoso 5,8 x 106
Fenóis 0,5 x 106
PAHs 0,25 x 106
Gases Não Condensáveis CO2
(2 x 106)
1,14 x 106
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CO CH4 CnHm
0,66 x 106 0,16 x 106 0,04 x 106
* Em relação ao peso inicial de lenha seca
Baseado nestes resultados, é de fundamental importância que se incentive a
utilização de processos modernos de produção de carvão vegetal e se tome medidas para
controlar as emissões desses compostos poluente.
1.19.1 - Comparação entre Carvão Vegetal e Carvão Mineral
A utilização de carvão mineral e coque como fontes energéticas no Brasil
representam 0,82 e 2,99% respectivamente, contra 2,04% de carvão vegetal.
Estes são dados relevantes, considerando-se o aspecto ambiental, pois o
carvão mineral é uma fonte energética na qual sua utilização produz teores elevados de
compostos poluentes comparando-se com o carvão vegetal.
Dados encontrados na literatura sobre o assunto, demonstram que na
composição do carvão mineral, o teor de enxofre e cinzas, em base seca, são de 1,2 e
45,0% respectivamente, enquanto o carvão vegetal apresentam teores bem inferiores na
ordem de 0,5 e 1,5% para os mesmos componentes.
O carvão mineral é bastante utilizado na metalurgia nacional, sendo que para
sua utilização é necessário que o mesmo passe por um processo de coqueificação. Este
processo apresenta um rendimento de 80% em coque, 12% de gases e 3% de alcatrão.
Um dos principais compostos, do ponto de vista ambiental, liberados no
processo de produção do coque são os PAHs, que conforme já citado no processo de
carbonização podem provocar efeitos deletérios à saúde humana.
Estudos realizados nos EUA com amostras de ar coletados nos locais de
produção de coque, demonstraram que as emissões alcançaram concentrações de
poluentes entre 0,40 e 3,0 mg/m3. Valores estes que devem ser considerados com
preocupação, pois a U.S EPA recomenda que para locais de trabalho com produtos a base
de carvão mineral, devem ser seguidos os limites citados abaixo:
Alcatrão Mineral: 0,1 mg/m3 de ar (10 horas time weighted average);
Forno de coqueria: 0,15 mg/m3 de ar (8 horas TWA);
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Exposição ocupacional a voláteis de piche de alcatrão mineral: 0,2 mg/m3 de ar
(8 horas TWA).
Não foi encontrado dados sobre as estimativas das quantidades desses
principais poluentes produzidos na produção do coque e também na sua utilização nos alto-
fornos no Brasil, para se fazer um estudo comparativo com as emissões da carbonização.
Porém por se tratar de uma fonte não renovável na qual não apresenta um balanço
favorável da emissão de CO2 e produz um elevado teor de enxofre, conclui-se que a sua
utilização é mais prejudicial ao ambiente do que o carvão vegetal.
1.20 - Medidas de Controle da Poluição
Como no Brasil o carvão vegetal é essencialmente produzido em sistemas
rudimentares de carbonização, as alternativas para redução da poluição tornam-se inviáveis
pois implicariam em aumento do custo de produção.
Porém, diversos sistemas de redução e controle da poluição são estudados e
utilizados para resolver os problemas causados pelas emissões de poluentes e para
recuperar os gases produzidos. Dentre esses métodos podemos citar:
1.20.1 - Incineradores
Os altos valores dos vapores produzidos na carbonização (contendo gases e
alcatrão) já é motivo suficiente para justificar um sistema de recuperação.
Esta recuperação dos gases pode melhorar consideravelmente os rendimentos
do processo em conversão energética se a energia derivada dos mesmos for reciclada para
dentro do processo.
Nos processos de produção de carvão vegetal utilizando fornadas descontinuas,
vários reatores podem ser acoplados para operar em seqüência, evitando as variações na
qualidade do vapor produzido.
Um exemplo destas medidas de controle da poluição com a recuperação dos
gases produzidos durante o processo de carbonização foi desenvolvido pela Sonocarb.
Neste sistema a fumaça recuperada é incinerada e a energia produzida é utilizada para
secar a madeira que vai ser carbonizada e uma substancial quantidade de energia
remanescente no processo pode ser utilizada em outras atividades.
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Alguns resultados conseguidos no controle das emissões poluentes com a
instalação de incineradores pode ser vista no quadro a seguir.
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Quadro 23 - Desempenho de um incinerador das emissões da carbonização
Ponto de Prova Antes do
Incinerador Depois do
Incinerador
Concentração de Poluentes (mg/Nm3/h) Saída de Gases (Nm3/h) Temperatura Média (0C) Conteúdo de CO (% gases) Conteúdo de CO2 (% GASES) Conteúdo de O2 (% Gases) Conteúdo de Nox (ppm) Conteúdo Total de Hidrocarbonetos (ppm)
50000 550 90 3 5
15 --
12000
2 5700 430 -- 6 15
40 - 55 20 - 30
Os resultados mostrados no quadro acima demonstram a alta eficiência da
incineração dos gases da carbonização, além disso, uma quantidade substancial de energia
utilizável é produzida.
Outro fator muito importante é que com a instalação deste sistema de
recuperação da fumaça, as condições de trabalho nas plantas de carbonização são
consideravelmente melhoradas.
1.20.2 - Reciclagem de Gases e Recuperação do Alcatrão
A não utilização deste sistema, tanto em processos convencionais como em
processos mais modernos e eficientes de carbonização como as retortas, reside no fato de
que nem sempre o retorno financeiro é compatível com o valor investido.
Como já foi dito anteriormente, os principais sub-produtos da carbonização
estão contidos nos GNC e nos COC que apresentam as frações mais importantes do ponto
de vista ambiental.
Na fração viscosa dos COC esta contido o alcatrão insolúvel que é constituído
de um grande número de substâncias tóxicas e poluentes que por questões ambientais seria
ideal que não fossem emitidas para a atmosfera.
O alcatrão durante o processo de carbonização se apresenta na forma de névoa
(gotículas suspensas no fluxo gasoso) e os equipamentos de recuperação promovem a
condensação dessas gotículas através de aspersão, aumentando a velocidade e
promovendo o impacto das mesmas sobre anteparos (ciclones) nos quais é realizado a
captação do alcatrão.
Como o processo de obtenção de produtos químicos através do fracionamento
do alcatrão não é economicamente viável, uma alternativa de uso do alcatrão é exatamente
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a sua recuperação e utilização como óleo-combustível pesado substituindo o óleo-
combustível de origem fóssil, apresentando algumas vantagens como por exemplo:
É um combustível praticamente isento de cinzas e enxofre;
A sua fluidez é adequada para combustão em queimadores;
Para empresas produtoras de carvão vegetal, o alcatrão é considerado um
resíduo do processo, sendo que este pode ser utilizado para gerar energia.
1.20.3 - Separação dos Pós e Partículas
A separação é realizada utilizando-se a força centrífuga através de ciclones, que
são dimensionados de acordo com os fluxos e diâmetro das partículas.
Como estes ciclones não tem uma eficiência de 100% torna-se necessário a
instalação de exaustores após os ciclones que funcionam como agentes de aglomeração de
partículas que por apresentarem diâmetros muito pequenos não são coletados nos ciclones.
Para aumentar a eficiência do sistema depois dos exaustores deve ser
instalados filtros que irão reter essas partículas de diâmetros reduzidos, que
conseqüentemente não serão liberadas para a atmosfera causando problemas ambientais.
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