Objetivos

Realizar a análise imediata do carvão vegetal de forma a determinar os teores de

umidade, matérias voláteis, cinzas e teor de carbono fixo que o caracterizam.

Introdução

Do ponto de vista energético biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria

orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Assim

como a energia hidráulica e outras fontes renováveis, a biomassa é uma forma indireta de

energia solar. A energia solar é convertida em energia química, através da fotossíntese, base

dos processos biológicos de todos os seres vivos, ficando armazenada nos mesmos.

O carvão vegetal é um dos vários tipos de carvão artificial e é também considerado

biomassa. Produto principal da pirólise da madeira, a carbonização da madeira por combustão

incompleta, que consiste no aquecimento gradual da madeira no ar rarefeito, provocando

primeiro a expulsão da água, seguindo-se outros produtos volatilizáveis, restando o carbono

livre. É um carvão muito leve, porém com um calor gerado na combustão de 8000 calorias,

com a notável propriedade de absorver gases, o que se efetiva com o desprendimento de calor.

A qualidade do carvão vegetal obtida depende da madeira (espécie arbórea, tamanho e

umidade contida) e do método de carbonização.

A análise imediata consiste em processos que visam isolar as espécies que constituem

um material.

Na análise imediata do carvão vegetal objetiva-se determinar os teores de umidade,

matéria volátil, cinza e carbono fixo, importantes na caracterização do mesmo.

A umidade presente no carvão compõe-se de umidade livre ou superficial, eliminada

logo na primeira secagem ao ar livre, e a equilíbrio ou inerente característica do carvão e

correspondente a segunda fração de umidade, mais profunda, a qual é eliminada ao se

submeter a amostra à altas temperaturas. A presença de umidade no carvão reduz seu poder

calorífico prejudicando seu rendimento energético.

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).

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.

A cinza é um resíduo mineral proveniente dos componentes minerais do lenho e da

casca (COTTA, 1996 citando VITAL et alli, 1986). Corresponde à parcela final resultante da

queima total do carvão, é o material incombustível, inerte no carvão. O teor aceitável varia

dentro da faixa de 7% a 12%, chamada de camada de proteção.

É importante resaltar que altos teores de cinzas podem interferir nos materiais que

estejam sendo trabalhados em fornos movidos à carvão vegetal, por isso tomar muito cuidado

com as adubações em florestas, para que o níveis de minerais na madeira seja aceitável.

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.

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.

Materiais e Métodos

O material analisado foi carvão vegetal peneirado.

As análises realizadas seguiram a seguinte ordem: umidade, material volátil, cinzas e o

teor de carbono fixo.

Previamente secaram-se dois cadinhos de porcelana em estufa, por aproximadamente

20 minutos (1/3 do tempo real previsto na metodologia da norma ABNT NBR 8112, devido

ao pouco tempo disponível para realização da análise), a fim de que a umidade dos mesmos

não interferisse na pesagem. Depois de retirados da estufa foram depositados no dessecador

com sílica para esfriarem e não sofrerem influência da umidade e temperatura do meio, que

era de 65% e 26,7°C, respectivamente.

Foram pesados os cadinhos secos, o valor foi anotado, e logo em seguida 1g de carvão

vegetal foi adicionado.

Com as amostras preparadas colocaram-se as mesmas numa estufa por 10 minutos (1/6

do previsto na metodologia) para determinação da umidade. Retiraram-se os cadinhos da

estufa e novamente depositaram-nos no dessecador até esfriarem. Com a mesma precisão

mediu-se a massa novamente.

Através da fórmula (1) realizou-se a determinação do teor de umidade.

%U=m1−m2

m×100(1)

Onde: m1 - massa de cadinho + massa de carvão antes da retirada de umidade na estufa.

m2 - massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada a umidade.

m - massa de carvão (amostra).

Previamente se preaqueceu uma mufla até 700°C, para preparo da análise de materiais

voláteis.

Colocou-se uma tampa, constituída de outro cadinho semelhante, sobre os que

continham o carvão sem umidade. A tampa e o conjunto também foram pesados.

A determinação da matéria volátil se dá a partir do carvão previamente seco pelo

método da umidade, seguindo os seguintes passos para o aquecimento da amostra: 3 minutos

na tampa da mufla e 7 dentro, tal qual metodologia.

Esfriaram-se as amostras por 20 minutos no dessecador e pesou-as novamente.

Através da equação (2) a porcentagem de material volátil foi calculada.

MV=m2−m3

m×100(2)

Onde: m2 - massa de cadinho + amostra.

m3 – massa do cadinho + amostra após a mufla.

m - massa da amostra.

Para determinação de cinzas o material resultando da análise anterior foi levado

novamente a mufla à 700°C, mas agora sem a tampa para incineração total, por 30 minutos

(na ABNT NBR 8112 o tempo real é de 6 horas). Novamente 20 minutos no dessecador e

pesagem final.

O cálculo foi realizado através da equação (3).

% Z=m4−m5

m×100(3)

Onde: m4 - massa do cadinho + cinzas.

m5 - massa do cadinho.

m - massa da amostra.

O teor de carbono fixo é uma medida indireta, obtida através do cálculo da equação (4)

utilizando os parâmetros previamente determinados.

%CF=100−(Z+MV ) ( 4 )

Onde: Z - teor de cinza em porcentagem.

MV - teor de matérias voláteis em porcentagem.

CF - teor de carbono fixo em porcentagem.

Resultados e Discussões

A TABELA 1 apresenta os resultados provenientes das pesagens para determinação de

umidade e matérias voláteis.

TABELA 1. Dados empregados na determinação dos teores de umidade e cinzas.

Massa do cadinho seco

(g)

Massa do cadinho seco+Carvão

úmido (g)

Massa do cadinho seco+Carvão seco

(g)

37,65 38,65 38,56

40,14 41,14 41,04

Aplicando (1) para o cálculo do teor de umidade, obtém-se:

%U=m1−m2

m×100=38,65−38,56

1×100=9%

O resultado apresentado significa uma porcentagem de 9% em peso do carvão,

composta por água. O cálculo não necessita de repetição, pois como se trata da mesma

amostra de material, submetida ao mesmo tratamento e ao mesmo tempo, logo o teor de

umidade deve ser o mesmo.

A presença de água 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). Logo quando menor o valor mais preferível.

O teor de matérias voláteis foi determinado através de (2), os dados empregados no

cálculo são apresentados na TABELA 2.

TABELA 2. Dados empregados para análise de matérias voláteis.

Massa do cadinho seco

+Tampa (g)

Massa do cadinho

seco+Tampa+Carvão Seco (g)

Massa do cadinho com

tampa+Matéria volátil (g)

Cadinh

o

40,14 Cadinho+Carvão 41,04 40,66

Tampa 36,25 Tampa 36,25 36,25

Total 76,39 Total 77,29 76,91

MV=m2−m3

m×100=77,29−76,91

1×100=38 %

Na literatura o teor de matérias voláteis se encontra na faixa de 19,6%-23,3% em base

seca (CETEC/ACESITA, 1982). O limite superior como visto foi extrapolado, o que é

facilmente justificável devido ao tempo reduzido com que toda a análise foi feita.

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.

O teor de materiais voláteis pode influenciar a degradação do carvão no alto-forno, ao

acarretar mudanças na porosidade e na resistência mecânica.

O teor de cinzas obtido por (3) através dos dados presentes na TABELA 1 foi:

% Z=m4−m5

m×100=37,98−37,65

1×100=33 %

O valor encontrado é extremamente elevado em vista dos padrões vistos na literatura,

onde a faixa aceitável é de 1,8%-2,6% (CETEC/ACESITA, 1982). Isso significaria um carvão

de péssima qualidade para uso industrial, entretanto tem-se que levar em consideração que

esse resultado está sujeito a grande margem de erro visto que a incineração total do material

se deu em 30 minutos, quando na metodologia prevista na ABNT NBR 8112 o tempo de

mufla é de 6 horas.

O teor de carbono fixo foi calculado através de (4), obtendo-se:

%CF=100−(Z+MV )=100−(33+38 )=29 %

A faixa aceitável é de 74,8%-78,1%. O teor encontrado é muito baixo, mas

considerando que a %CF é uma medida indireta, ela está sujeita ao erro presente no cálculo

do teor de cinzas devido às adaptações no tempo da metodologia.

O teor de carbono fixo está diretamente associado à produtividade do mesmo, logo

quanto maior, dentro dos limites, melhor o carvão.

Conclusões

Os resultados obtidos não são conclusivos e muito menos devem ser tomados como

ótimos, visto que toda a análise realizada esteve sujeita à variações de tempo, redução nos

mesmos principalmente, do que está previsto na ABNT NBR 8112. Entretanto foi possível

compreender todo o processo de análise imediata do carvão, de forma que a ser possível uma

futura realização do mesmo sob condições mais adequadas.

Referências Bibliográficas

ASSIS, P.S.; ALMEIDA, L.Z. & PORTO, F.M. 1982 Utilização do Carvão Vegetal na

Siderurgia. Produção e utilização de carvão vegetal. Belo Horizonte, Fundação Centro

Tecnológico de Minas Gerais-CETEC. p.281-318.

CARMO, J.S. 1988. Propriedades Físicas e Químicas do Carvão Vegetal Destinado à

Siderurgia e Metalurgia. Viçosa - Minas Gerais, Brasil. (Monografia).

CETEC - Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais. 1982 Produção e Utilização de

Carvão Vegetal. Séries Técnicas CETEC, Belo Horizonte, 393 p.

COTTA, A.M.G. 1996. Qualidade do Carvão Vegetal para Siderurgia. Monografia.

Viçosa,

Minas Gerais , Brasil.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 8112 Carvão vegetal –

análise imediata, Out/1986.

VITAL, B.R.; JESUS, R.M. de.; VALENTE, O.F. 1986.Efeito da constituição química e da

densidade da madeira de clones de Eucalyptus grandis na produção de carvão vegetal.

Revista Árvore, 10 (2): 151-160.