Análise da qualidade do carvão vegetal produzido a partir dos resíduos do manejo florestal sustentável no Estado do Pará, para fins siderúrgicos

Orientador: Prof. Dr. Joel Gustavo Teleken

Coorientadores: Profa. Dra. Adriana Ferla de Oliveira e Prof. Dr. Sueo Numazawa

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Bioenergia. Defesa : Palotina, 03/06/2020

Inclui referências: p. 81-90

Resumo: O carvão vegetal está presente em diferentes e inúmeras atividades desenvolvidas em nosso cotidiano, seja nas residências no preparo de alimentação, na indústria farmacêutica, na indústria química como carbono, grafite, filtros e principalmente, nas indústrias siderúrgicas, usado como gerador de energia e redutor de minério. No entanto, a tecnologia utilizada para a produção de carvão vegetal na região Norte do Brasil é considerada obsoleta. O objetivo do trabalho foi avaliar o rendimento e a qualidade do carvão vegetal direcionado a indústria siderúrgica, testando diferentes grupos de resíduos do manejo florestal sustentável, organizados em dois grupos de básica da madeira e utilizando dois ciclos de carbonização, 10 e 12 dias. As carbonizações foram realizadas utilizando-se 10 fornos para cada grupo de densidade básica, com ciclo de carbonização de 10 e 12 dias, sendo 5 fornos para cada ciclo,totalizando 20 fornos no experimento. Foram avaliadas, o rendimento gravimétrico em carvão, características físicas referentes a densidade à granel e densidade básica, características químicas imediatas sobre teores de umidade, materiais voláteis, carbono fixo e cinzas, e também sobre a constituição química elementar de carbono, nitrogênio e hidrogênio, análise termogravimétrica, poder calorífico superior e, finalmente, a característica de resistência mecânica referente a friabilidade do carvão. O experimento foi realizado no Delineamento Inteiramente Casualizado (DIC), com arranjo fatorial 2x2 (grupo de densidade x tempo de carbonização) resultando em 4 tratamentos, com 5 repetições (fornadas). Os valores de rendimento gravimétrico em carvão variaram de 19,81 a 24,38% para os carvões produzidos no G2 D12 e G1 D12, respectivamente. O carvão do G1 nos ciclos de carbonização de 10 e 12 dias foram medianamente friáveis (19,51% e 19,25%) do G2 carbonizados em 10 e 12 dias foram poucos friáveis (12,11% e 12,48%). O Teor de umidade não foi influenciado pelos tratamentos empregados, apresentando média de 7,6%. O carvão produzido no G2 D12 apresentou a média de teor de materiais voláteis de 26,51 % e o carvão do G1 12 dias apresentou a média de 22,31 %. O poder calorífico do carvão varia entre os grupos de densidade dos resíduos estudados, apresentando o maior valor para o grupo de madeiras com maior densidade carbonizadas em 10 e 12 dias. A concentração de carbono elementar foi superior para o grupo G1 D10 e G1 D12. Os valores para os teores de H, indicaram pequena variação entres os carvões produzidos, com valores de 4,36% para G1 D10 e de 4,99% para G1 D12. Considerando que o carvão obtido de G1 D12 apresentou o maior teor de carbono elementar, consequentemente, influenciando no poder calorífico superior do combustível. O comportamento durante a degradação térmica dos carvões obtidos foi muito semelhante com perdas de massa, mais acentuadas numa faixa aproximada de temperatura e com picos de energia liberada, expressos pela análise térmica diferencial, também bem próximos. Em relação ao aproveitamento de resíduos do manejo florestal sustentável, todos os grupos de madeira podem ser confirmados para a produção de carvão vegetal e, ainda, considerando que a carbonização é um processo alternativo para mitigar o passivo ambiental causado pelos resíduos, evitando-se o descarte no meio ambiente. Conclui-se, portanto, que o carvão de resíduos de exploração florestal é mais um produto comercializável de origem renovável e de boa qualidade energética, além de proporcionar a agregação de valor aos resíduos e um melhor aproveitamento da biomassa florestal. Palavras-Chave: Biocombustível Sólido, Biorredutor, Carbono fixo, Ferro, Siderurgia.

Abstract: Charcoal is present in different and countless activities developed in our daily lives, whether in the homes in food preparation, in the pharmaceutical industry, in the chemical industry such as carbon, graphite, filters and mainly in the steel industries, used as an energy generator and reducer ore. However, the technology used to produce charcoal in northern Brazil is considered obsolete. The objective of the study was to evaluate the yield and quality of charcoal directed to the steel industry, testing different groups of residues from sustainable forest management, organized in two groups of basic wood and using two carbonization cycles, 10 and 12 days. Carbonizations were performed using 10 ovens for each group of basic density, with a carbonization cycle of 10 and 12 days, with 5 ovens for each cycle, totaling 20 ovens in the experiment. The gravimetric yield on charcoal, physical characteristics related to bulk density and basic density, immediate chemical characteristics on moisture content, volatile materials, fixed carbon and ash were evaluated, as well as on the elemental chemical constitution of carbon, nitrogen and hydrogen, thermogravimetric analysis, superior calorific value and, finally, the mechanical resistance characteristic related to the friability of the charcoal. The experiment was carried out in an Entirely Randomized Design (DIC), with a 2x2 factorial arrangement (group of density x carbonization time) resulting in 4 treatments, with 5 repetitions (batches). The values of gravimetric yield in charcoal ranged from 19.81 to 24.38% for the charcoal produced in G2 D12 and G1 D12, respectively. The charcoal from G1 in the carbonization cycles of 10 and 12 days was moderately friable (19.51% and 19.25%) of the carbonized G2 in 10 and 12 days were slightly friable (12.11% and 12.48%). The moisture content was not influenced by the treatments used, presenting an average of 7.6%. The charcoal produced in G2 D12 had an average volatile material content of 26.51% and coal in G1 12 days had an average of 22.31 %. The calorific value of the charcoal varies between the groups of density of the studied residues, presenting the highest value for the group of woods with the highest carbonized density in 10 and 12 days. The elemental carbon concentration was higher for the G1 D10 and G1 D12 groups. The values for the levels of H indicated little variation between the charcoal produced, with values of 4.36% for G1 D10 and 4.99% for G1 D12. Considering that the charcoal obtained from G1 D12 had the highest elemental carbon content, consequently influencing the superior calorific power of the fuel. The behavior during the thermal degradation of the obtained coals was very similar with mass losses, more accentuated in an approximate temperature range and with peaks of released energy, expressed by the differential thermal analysis, also very close. Regarding the use of residues from sustainable forest management, all wood groups can be confirmed for the production of charcoal and, furthermore, considering that carbonization is an alternative process to mitigate the environmental liabilities caused by the residues, avoiding the disposal in the environment. It is concluded, therefore, that the charcoal from forest exploitation residues is yet another marketable product of renewable origin and of good energy quality, besides providing added value to the residues and a better use of the forest biomass. Keywords: Solid Biofuel, Bioreducer, Fixed carbon, Iron, Steel.