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Universidade Federal do ABC Centro de Engenharias, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Pós-graduação em Energia. Amanda Denisse León Niño

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Universidade Federal do ABC Centro de Engenharias, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Pós-graduação em Energia Amanda Denisse León Niño CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DA CANA-DE-AÇÚCAR VISANDO
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Universidade Federal do ABC Centro de Engenharias, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Pós-graduação em Energia Amanda Denisse León Niño CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DA CANA-DE-AÇÚCAR VISANDO SEU APROVEITAMENTO ENERGÉTICO Dissertação Santo André SP 2014 Amanda Denisse León Niño CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DA CANA-DE-AÇÚCAR VISANDO SEU APROVEITAMENTO ENERGÉTICO Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação em Energia da Universidade Federal do ABC, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Energia. Orientadora: Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto Co-orientadora: Profa. Dra. Juliana Tófano de Campos Leite Toneli Santo André SP 2014 i ii Para minha família e meus amigos que apesar da distancia sempre estão próximos. iii AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pelo amor, as oportunidades, os retos e os sonhos que se tornaram em realidade. A minha família pelo apoio, amor incondicional e confiança que estão presentes sempre apesar de tantos quilômetros de distancia. A minha orientadora, Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto pela imensa colaboração e ensinamentos em todos os aspectos do desenvolvimento desta pesquisa, também pela compreensão, incentivo e amabilidade demostrada desde a minha chegada. A minha co-orientadora, Profa. Dra. Juliana Tófano e a Profa. Dra. Silvia Nebra pela sua contribuição e apoio nos momentos necessários. Ao pessoal da usina Santa Rosa pela cordial disponibilização das amostras de biomassa. Aos técnicos do Laboratório de Materiais e da Central Experimental Multiusuário da UFABC pela ajuda na realização dos experimentos deste trabalho. Aos colegas do grupo de pesquisa Julia, Rafael, Beatriz, Andrea, Rodolfo, Danielle, Vanessa e Carolina pelo acolhimento, amizade e colaboração. A todos meus amigos pelo carinho e motivação durante este tempo. Á Universidade Federal do ABC e à Pós-graduação em Energia pela oportunidade da realização deste curso. Á Capes e FAPESP pelo financiamento do trabalho. Muito obrigada! iv Viva como se fosse morrer amanha, aprenda como se fosse viver para sempre. Mahatma Gandhi v RESUMO Em meio ao cenário global atual de crescimento industrial e da população, os problemas de poluição pelas descontroladas emissões gasosas para o meio ambiente provenientes do uso de combustíveis fósseis, surgiu uma crescente necessidade e procura de recursos energéticos eficientes e sustentáveis. Desta forma, a biomassa é considerada como uma alternativa energética devido à sua origem renovável, custo acessível e possibilidade de uso doméstico e industrial. Para o caso específico do Brasil, uma fonte promissora de biomassa são os resíduos do processamento de cana-de-açúcar (bagaço e palhiço) em virtude do potencial da indústria sucroalcooleira, tornando-se uma linha importante na economia do país. Embora o bagaço in natura já seja empregado em processos de cogeração de vapor e energia elétrica, se faz necessário realizar mais estudos sobre sua caracterização devido às mudanças nas formas de colheita, às variedades de cana, e às diferentes formas de processamento da cana dentro das usinas, fatores que podem alterar as suas propriedades, as quais são indispensáveis para o projeto de processos e equipamentos que permitam o seu adequado aproveitamento, dentro do mesmo campo, ou como matéria prima para a produção de etanol de segunda geração. Para o palhiço se apresenta um panorama similar, devido ao recente interesse na produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, situação que propiciaria o uso de parte deste resíduo para transformação energética nas usinas. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade de aproveitamento energético do bagaço e palhiço de cana-de-açúcar em processos de conversão termoquímica a partir da caracterização de suas propriedades físico-químicas e termodinâmicas quando submetidos a diferentes condições de pré-processamento. De acordo com os resultados obtidos, os bagaços (in natura e respectivas frações) analisados apresentaram variações significativas somente em relação à fração de menor tamanho de partícula, em termos de poder calorífico, teores de carbono, hidrogênio, oxigênio e carbono fixo. A composição química das cinzas mostrou uma variação em comparação à literatura, especialmente no conteúdo de metais alcalinos (K) e silício (Si) que poderiam influenciar negativamente os processos termoquímicos de conversão. De outra parte, as amostras de palhiço analisadas apresentaram um potencial similar de aproveitamento energético ao bagaço, no referente às propriedades físico-químicas e térmicas determinadas, excluindo as ponteiras e folhas verdes que entre outros fatores possuem altos teores de cloro e metais alcalinos que dificultariam seu aproveitamento. Palavras chave: bioenergia, biomassa, caracterização, cana-de-açúcar, bagaço, palhiço. vi ABSTRACT Considering the global outlook of industrial and population growth, in addition to pollution problems caused by uncontrolled gaseous emissions from the extensive use of fossil fuels, emerged an increasing need and research for sustainable and efficient fuel sources. Within this situation, biomass appears as one of the main alternatives taking into account its renewable origin, cost, domestic and industrial applications. For the specific case of Brazil, the residues of sugar cane processing (bagasse and trash) stand as promising biomass resources, based on the potential of the sugar and ethanol industry. Despite the fact the use of bagasse in natura in cogeneration processes, it is still important to do more studies about its characterization due to the recent changes in varieties, harvest and processing systems of this crop. These factors could affect its properties, which are essential to process and equipment designs that would allow an adequate application of bagasse as feedstocks in the same area or in the production of cellulosic ethanol. Sugar cane trash shows a similar situation caused by the current interest in ethanol production from lignocellulosic materials, which would motivate the application of part of this residue in energy conversion processes. Thus, the objective of this study was evaluate the feasibility of sugar cane trash and bagasse energetic application in thermochemical conversion processes, from the characterization of their physico-chemical and thermal properties under different pre-treatment conditions. According to the results, bagasses (in natura and fractions) showed significative variations only regarding the smallest particle size fraction in terms of calorific value, carbon and hydrogen content as well as fixed carbon. Alkaline metals (K) and silica (Si) contents from the ash chemical composition were different in comparison to the literature, and could have a negative influence on the thermochemical conversion processes. The sugar cane trash samples showed a similar potential of energetic use concerning their physico-chemical and thermal properties, except the tops and green leaves that had high contents of chlorine (Cl) and alkaline metals (K), fact that could interfere in their use. Keywords: bioenergy, biomass, characterization, sugar cane, bagasse, sugar cane trash. vii LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1. Área cultivada com cana-de-açúcar nos anos 2010 a Figura 2. Produção de cana-de-açúcar nos anos 2010 a Figura 3. Estrutura típica da biomassa de cana-de-açúcar....9 Figura 4. Colheita manual de cana-de-açúcar crua versus cana queimada Figura 5. Colheita mecanizada Figura 6. Produção de bioetanol e açúcar de cana-de-açúcar...12 Figura 7. Sistema de limpeza a seco...13 Figura 8. Sistemas de extração Figura 9. Dornas de fermentação...15 Figura 10. Sistemas de extração destilação e retificação Figura 11. Processos para a aplicação de bagaço de cana-de-açúcar na obtenção de vários produtos industrialmente importantes Figura 12. Fibra e medula de bagaço de cana-de-açúcar...23 Figura 13. Distribuição das partículas de bagaço obtido através de moenda e difusão Figura 14. Bagaços in natura coletados na usina Santa Rosa Figura 15. Amostras de palhiço coletadas na usina Santa Rosa...46 Figura 16. Amostras de palhiço coletadas na usina Santa Rosa após corte manual...47 Figura 17. Esquema do pré-processamento e caracterização das amostras de bagaço e palhiço Figura 18. Bomba calorimétrica usada para a determinação do poder calorífico superior Figura 19. Microscópio eletrônico de varredura usado para a análise elementar das cinzas..53 Figura 20. Distribuição granulométrica do bagaço moenda in natura...57 Figura 21. Distribuição granulométrica do bagaço depósito 1 in natura...58 Figura 22. Distribuição granulométrica do bagaço depósito 2 in natura...59 Figura 23. Distribuição granulométrica média dos três tipos de bagaço in natura...60 Figura 24. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas de bagaço moenda in natura Figura 25. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas de bagaço moenda fração C...74 Figura 26. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas das folhas verdes da cana-de-açúcar da variedade viii Figura 27. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas das folhas secas da cana-de-açúcar da variedade Figura 28. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas das ponteiras da canade-açúcar da variedade Figura 29. Imagem da micrografia eletrônica de varredura das cinzas do palhiço de cana crua deixado no campo...79 ix LISTA DE TABELAS Tabela 1. Área cultivada, produção e produtividade da cana-de-açúcar dos principais países produtores no ano Tabela 2. Análise granulométrica de bagaço obtido através de moenda e difusão Tabela 3. Análise granulométrica do palhiço de cana-de-açúcar encontrada na literatura (Pelaez Samaniego 2007) Tabela 4. Densidade a granel de bagaço de acordo ao tamanho de partícula...26 Tabela 5. Análise elementar de bagaço de cana de diferentes autores Tabela 6. Análise elementar do palhiço de cana reportado por diferentes autores...28 Tabela 7. Análise imediata do bagaço de diferentes estudos...30 Tabela 8. Análise imediata do palhiço de cana reportada por vários autores...31 Tabela 9. Poder calorífico do bagaço de cana para as respectivas referências bibliográficas. 34 Tabela 10. Valores de poder calorífico do palhiço de cana-de-açúcar encontrados na literatura...35 Tabela 11. Composição elementar das cinzas do bagaço reportadas na literatura Tabela 12. Composição elementar das cinzas do palhiço reportadas na literatura...38 Tabela 13. Composição de celulose, hemicelulose e lignina do bagaço de cana-de-açúcar encontrada na literatura Tabela 14. Composição de celulose, hemicelulose e lignina do palhiço de cana-de-açúcar...42 Tabela 15. Teor de umidade das amostras de bagaço e palhiço coletadas na usina Santa Rosa Tabela 16. Análise granulométrica média do bagaço moenda in natura Tabela 17. Análise granulométrica média do bagaço depósito 1 in natura...57 Tabela 18. Análise granulométrica média do bagaço depósito 2 in natura...58 Tabela 19. Determinação de densidade a granel para amostras de bagaço in natura e frações granulométricas Tabela 20. Determinação de densidade a granel para amostras de palhiço úmidas Tabela 21. Determinação de densidade a granel para amostras de palhiço secas Tabela 22. Análise elementar em base seca das amostras de bagaço in natura e frações...64 Tabela 23. Análise elementar em base seca das amostras de palhiço analisadas...65 Tabela 24. Análise imediata em base seca das amostras de bagaço in natura e frações...67 Tabela 25. Análise imediata em base seca das amostras de palhiço analisadas...69 x Tabela 26. Poder calorífico superior e inferior em base seca das amostras de bagaço in natura e frações...70 Tabela 27. Poder calorífico superior e inferior em base seca das amostras de palhiço analisadas Tabela 28. Valores médios da análise elementar das cinzas de bagaço in natura e frações...74 Tabela 29. Valores médios da análise elementar das cinzas de palhiço...76 Tabela 30. Índices de formação de escorias e depósitos para as amostras de bagaço in natura e frações Tabela 31. Índices de formação de escorias e depósitos para as amotras de palhiço...86 xi NOMENCLATURA b.u. b.s. d p e s e i Base úmida Base seca Diâmetro médio da partícula (mm) Espaçamento na peneira superior (mm) Espaçamento na peneira inferior em que as partículas ficam retidas (mm) Diâmetro médio da partícula da amostra (mm) X Fração mássica X C X H X S X N PCS PCI Fração mássica de carbono Fração mássica de hidrogênio Fração mássica de enxofre fração mássica de nitrogênio Poder calorífico superior (MJ/kg) Poder calorífico inferior (MJ/kg) H 2 O Teor de umidade h Teor de hidrogênio IA Índice de álcalis (kg álcalis/gj) razão de óxidos básicos a óxidos ácidos xii xiii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Justificativa Objetivos Objetivo principal Objetivos específicos REVISÃO DE LITERATURA Indústria sucroalcooleira Cana-de-açúcar Colheita da cana-de-açúcar Processo de produção de açúcar e etanol Bagaço de cana-de-açúcar Usos do bagaço de cana-de-açúcar Palhiço de cana-de-açúcar Usos do palhiço de cana-de-açúcar Caracterização do bagaço e do palhiço de cana de açúcar Análise granulométrica Densidade a granel Análise elementar Análise imediata Poder calorífico Análise elementar das cinzas Composição de celulose, hemicelulose e lignina Influência das propriedades sobre os processos termoquímicos METODOLOGIA Colheita e pré-tratamento das amostras...45 xiv 3.1.1 Colheita Pré-tratamento Determinação do teor de umidade Redução de tamanho de partícula e secagem Análise granulométrica Caracterização do bagaço e o palhiço de cana-de-açúcar Densidade a granel Análise elementar Análise imediata Poder calorífico Análise elementar das cinzas Análise Estatística ANÁLISE E DISCUSÃO DOS RESULTADOS Caracterização do bagaço e do palhiço de cana-de-açúcar Análise granulométrica do bagaço Densidade a granel Análise elementar Análise imediata Poder calorífico Análise elementar das cinzas Potencial de aproveitamento energético do bagaço e do palhiço de cana-de-açúcar em processos termoquímicos...80 CONCLUSÕES...89 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...91 ANEXO A...99 ANEXO B xv xvi 1. INTRODUÇÃO Indubitavelmente, os recursos energéticos são fatores relevantes para o desenvolvimento de qualquer atividade humana e, assim como os combustíveis, evoluíram de acordo com os requerimentos da sociedade. Nos séculos passados, lenha e carvão foram os mais utilizados, seguidos pelo auge do petróleo e outros combustíveis fósseis que atendiam as necessidades de uma sociedade em constante crescimento populacional e industrial. Atualmente, o setor energético global enfrenta uma transformação urgente em seus sistemas de produção, devido às mudanças climáticas e a necessidade por uma diminuição na dependência dos combustíveis fósseis. Como resultado, as autoridades mundiais procuram diversificar as fontes energéticas, incluindo fontes de energia eficientes e sustentáveis. Nesse contexto, o aproveitamento energético de resíduos agrícolas e agroindustriais é uma possibilidade de uso da biomassa como fonte de energia sem, no entanto, competir com a área plantada para a cultura de alimentos. Como principal vantagem, a biomassa apresenta a sua origem renovável com um ciclo fechado de carbono, o que reduz as emissões de dióxido de carbono e outras emissões que afetam negativamente o ambiente. Embora muito se fale a esse respeito, o uso desses resíduos em processos de conversão energética é pouco difundido e, muitas vezes, feito de maneira aleatória. Um dos produtos agrícolas mais desenvolvidos no Brasil é a cana-de-açúcar, tanto no aspecto do aumento da produtividade da cultura, quanto no processamento industrial e aproveitamento de resíduos. Há várias décadas, um de seus principais resíduos, o bagaço, tem sido usado nas caldeiras das usinas para produção de vapor e eletricidade, obtendo como resultado a autossuficiência energética deste segmento industrial. Na atualidade, a produção de cana-de-açúcar apresenta algumas mudanças, como a transição da colheita manual para a mecanizada e, consequentemente, limpeza da cana a seco ao invés do uso de água, e também a procura de processos alternativos como a produção de etanol de segunda geração. Estes são fatores que podem alterar as propriedades dos resíduos que estão sendo aproveitados (no caso do bagaço) e introduzir outras biomassas residuais como o palhiço para a conversão energética. A importância do conhecimento das propriedades físico-químicas e termodinâmicas das biomassas empregadas em processos de conversão energética para a avaliação de seu potencial e o projeto dos equipamentos e condições de processo se faz necessária. Desta forma, a caracterização do bagaço e do palhiço é importante considerando diferentes origens, como cana crua ou queimada, colheita mecanizada e manual, além de diversas granulometrias 1 e tempo de armazenamento, visando avaliar a existência de diferenças significativas que possam afetar, por exemplo, o desempenho dos equipamentos envolvidos e eficiência do processo de cogeração. Para a realização deste trabalho, a biomassa residual (bagaço e palhiço) foi doada pela usina Santa Rosa, localizada em Boituva- SP, onde a cana processada foi oriunda, em sua maioria, de colheita mecanizada. 1.1 Justificativa Segundo dados do Balanço Energético Nacional do ano de 2012 (BRASIL, 2013), a oferta interna de energia no Brasil atingiu 283,61 milhões de tep, dos quais 39,2% foram oriundos do petróleo e derivados, e 42,4% de fontes renováveis, dos quais 15,4% foram provenientes de derivados da cana-de-açúcar. No Balanço Energético Mundial do ano de 2011, apenas 12,3% da oferta de energia foram provenientes de fontes renováveis. Esses dados mostram que o Brasil tem plenas condições de assumir a liderança mundial do aproveitamento energético de biomassa. No entanto, a utilização da biomassa como insumo energético requer cuidados no uso dos recursos naturais e das terras produtivas, para evitar desequilíbrios ambientais, destruição dos ecossistemas e o encarecimento dos produtos alimentícios. Diante desse cenário, a utilização de resíduos como fonte de energia está se tornando uma realidade em todo o mundo, em virtude do seu potencial de aproveitamento energético por processos bioquímicos ou termoquímicos, sem causar as problemáticas antes mencionadas das biomassas e com vantagens econômicas devido ao seu baixo custo, quando as biomassas estão disponíveis próximas aos locais de consumo. Dentre as biomassas residuais com maior potencial energético, destacam-se os resíduos das atividades florestais e agrícolas, devido às suas características termoquímicas e à grande representatividade desses setores, principalmente em países em desenvolvimento como o Brasil. Os resíduos do setor sucroalcooleiro são particularmente importantes do ponto de vista energético, uma vez que são utilizados como combustível em processos térmicos de reaproveitamento desde a década de 80 em países da Ásia e principalmente da América Latina, tendo assim, grande representatividade dentre as fontes renováveis da matriz nesses países (WERTHER et al, 2000). 2 Além do uso do bagaço de cana-de-açúcar em processos termoquímicos, atualmente diversos estudos têm sido realizados visando a sua utilização como matéria prima para produção de álcool via hidrólise. No entanto, um grande número de pesquisas ainda são necessárias para otimizar o seu aproveitamento energético. Para o caso do palhiço, existem mais estudos de sua transformação em etanol, e só alguns trabalhos na área de aplicações termoquímicas, como os de Georges (2011) e Pelaez Samaniego (2007), os quais apresentam a caracterização físico-química desta biomassa residual e de seus produtos de pirólise. E no trabalho de Carvalho (2011), encontram-se também dados das propriedades do palhiço, porém para uso em polpação. Devido aos fatores citados anteriormente, estudos adicionais são necessários para avaliar outras propriedades, bem como para complementar as informações disponíveis.
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