BRPI0901948A2 - processo de obtenção do carvão vegetal que utiliza os constituintes gasosos emitidos durante a carbonização da matéria vegetal como fonte de energia para o processo e configuração construtiva do respectivo equipamento - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE OBTENçãO DO CARVãO VEGETAL QUE UTILIZA OS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE A CARBONIZAçãO DA MATéRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIA PARA O PROCESSO E CONFIGURAçãO CONSTRUTIVA DO RESPECTIVO EQUIPAMENTO O processo de carbonização da matéria vegetal consiste em submete-la a um tratamento térmico em temperaturas mais elevadas do que a ambiente, em uma atmosfera controlada, se possível isenta de oxigênio livre. Descrevemos resumidamente a teoria da carbonização da matéria vegetal, dando ênfase aos aspectos termodinâmicos, em particular à defasagem das etapas endotérmica e exotérmica do processo, o que impede o aproveitamento pelos fomos de alvenaria da energia contida na fase exotérmica da carbonização. Em seguida descrevemos o estado atual da técnica. A presente invenção se refere a um processo e reatores independentes para a secagem e a pirólise da matéria vegetal, e um vaso independente para o resfriamento do carvão vegetal. Neste processo, os produtos voláteis - gases não condensáveis e vapores pirolenhosos condensáveis - são queimados em uma câmara de combustão independente para a geração do calor necessário ao processo. Resulta que a queima de parte da madeira é evitada e que produtos condensáveis poluentes não são lançados para a atmosfera. Os reatores propostos pela presente invenção permitem um controle preciso do processo, obtendo-se assim o teor de carbono fixo que se desejar, e um maior rendimento da carbonização, que por sua vez significa um aumento da reserva florestal, quer nativa, quer cultivada. Nos fomos independentes de pirólise e de secagem propostos pela presente invenção, gases efluentes de uma câmara de combustão localizada externamente, percorrem o reator de secagem e em seguida o reator de resfriamento, aquecendo a coluna sólida da matéria vegetal em secagem e resfriando o carvão vegetal no reator de resfriamento. A câmara combustão utiliza como fonte de energia os gases combustíveis emanados da madeira em carbonização. A câmara de combustão édotada de um trocador de calor, que transfere calor dos gases combustos quentes para parte dos gases produzidos no reator em pirólise, gases estes que irão servir de fluido térmico para a transferência de calor durante a etapa endotérmica da pirólise. Esta técnica tem por finalidade evitar a contaminação dos gases combustíveis emitidos da matéria vegetal em carbonização no reator de pirólise pelos gases combustos gerados na mencionada câmara. No sistema por nós idealizado é possível interromper o processo de carbonização no final da etapa de secagem, ou no final da fase endotérmica da pirólise, obtendo-se desse modo madeira anidra ou madeira torrada, combustíveis muito convenientes. Os conceitos fundamentais do processo que idealizamos são: 1 - Utilização dos gases emitidos pela madeira em carbonização como fonte de energia para o processo. 2 - O processamento simultâneo das etapas de secagem, pirólise e resfriamento em reatores independentes, nos quais somente uma dessas etapas ocorre.3 - Fornecimento da energia durante a fase endotérmica da etapa de pirólise pelos próprios gases emitidos durante essa etapa após reaquecimento em um trocador de calor. Basicamente a configuração construtiva para a carbonização da matéria vegetal pelo processo ora apresentado consiste dos seguintes equipamentos: 1 - Reatores verticais nos quais as etapas de secagem, carbonização da madeira e resfriamento do carvão vegetal se processam independente e simultaneamente. 2 - Câmara de combustão colocada externamente aos mencionados reatores. 3 - Trocador de calor colocado internamente à câmara de combustão. 4- Conjunto de dutos. 5 - Sistema de sopradores. 6 - Sistema de alimentação

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZA OSCONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE A CARBONIZAÇÃODA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIA PARA OPROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DO RESPECTIVOEQUIPAMENTO

Esta invenção refere-se a um processo e respectiva configuração construtiva dosistema de equipamentos correlacionados à carbonização da matéria vegetal em umprocesso no qual a energia necessária para a carbonização da biomassa é provenienteda queima dos constituintes gasosos combustíveis emitidos pela matéria vegetaldurante a etapa de pirólise do processo de carbonização da respectiva matériavegetal.

A matéria vegetal pode ser: madeira em toras com qualquer dimensão, casca de coco,coco de babaçu, casca de coco de babaçu, palha de arroz, resíduos de serraria eresíduos vegetais em geral. Para simplificação será feita referência à madeira, mas asexplicações também podem ser aplicadas a outros materiais orgânicos de carga doprocesso.

Teoria da carbonização da biomassa

O termo biomassa foi inventado por volta de 1975 para descrever os materiaisnaturais que podem ser utilizados como combustível. Ela inclui toda matériaorgânica de origem vegetal ou animal, inclusive os materiais procedentes de suatransformação natural ou artificial (ex. carvão vegetal). No seu conceito mais amploinclui toda a matéria viva existente num dado momento na terra. Qualquer tipo debiomassa provém em última instância do processo de conversão fotossintética.

A biomassa é uma fonte de energia renovável, resultante do armazenamento daenergia solar nas plantas. Através da fotossíntese, as plantas convertem o CO2(dióxido de carbono) da atmosfera nos compostos orgânicos usados em seucrescimento. Esta energia química armazenada nas plantas e animais (que sealimentam de plantas e outros animais), ou em seus resíduos, é chamada bioenergia.Esta energia contida na planta pode ser recuperada através de vários processos, sendoo mais simples a combustão.

O Brasil é um país que dispõe das condições ideais para aproveitamento da biomassacomo combustível para a geração termelétrica, ou como matéria-prima para afabricação do carvão vegetal. Elevada taxa de insolação, a disponibilidade de grandesáreas para o reflorestamento, permite a utilização desta fonte de energia renovávelem escala muito mais elevada do que em outros países. A incidência média daradiação solar nos trópicos é cerca de 750 W/m2, 30% mais do que a incidente nasregiões temperadas.

A utilização da biomassa cultivada como fonte de energia é benéfica ao meioambiente. Ao se queimar um combustível fóssil, gás carbônico é lançado para aatmosfera. O aumento da concentração deste gás na atmosfera do planeta acarretauma elevação gradual da temperatura, o assim denominado "efeito estufa". Ao sequeimar madeira proveniente da floresta cultivada, gás carbônico é lançado para aatmosfera, tal como no caso de combustível fóssil. Mas durante a fase de crescimentoda floresta cultivada, gás carbônico é absorvido da atmosfera e oxigênio é liberadopara a mesma. Além disto, o oxigênio liberado contribui para a recuperação doozônio através do equilíbrio termodinâmico oxigênio - ozônio. O balanço final éfavorável ao meio ambiente. No ciclo natural da vida, a biomassa morre e sedecompõe nas suas moléculas elementares liberando também calor. Assim, aliberação de energia pela conversão da biomassa, reproduz a decomposição natural,mas de um modo muito mais rápido, e esta energia é uma forma de energiarenovável. Utilizando a biomassa, recicla-se o carbono, e não se adiciona CO2 naatmosfera, ao contrario do que acontece com os combustíveis fósseis. De todas asformas de energia renovável, a biomassa é a única que efetivamente armazena aenergia solar. Alem disto, é a única forma renovável de carbono, e pode serprocessada para produzir combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. Tratando-se deuma fonte renovável, é necessário ter sempre em mente que os combustíveis fósseisnão são inesgotáveis.

Deve-se notar que os combustíveis fósseis têm sua origem em materiais orgânicos,portanto em última análise provêm da fotossíntese. A matéria orgânica acumuladanas rochas sedimentares desde o período geológico Cambriano evoluiu setransformando nos combustíveis fósseis: carvão mineral, petróleo, gás natural e xistobetuminoso. É sobre esta energia acumulada quimicamente durante 600 milhões deanos que a humanidade tem sacado com intensidade crescente, consumindo grandeparte dos combustíveis fósseis, todos provenientes da energia solar. O que levoumilhões de anos para ser formado está sendo consumido hoje a uma taxa milhões devezes superior à de sua formação.

Existem diversos processos físico-químicos utilizados para valorizar o uso energéticoda biomassa. Os processos termoquímicos submetem a biomassa à ação do calor demodo a decompô-la em compostos mais simples. Qualquer tipo de biomassa (bagaçode cana, casca de arroz, casca de coco, gramíneas, etc) pode ser utilizado em umprocesso de conversão termoquímico. Entretanto as madeiras são mais comumenteutilizadas devido à alta produtividade e qualidade, baixo custo e alta densidade. Se oprocesso de decomposição térmica for anaeróbico (ausência de oxigênio ou ar) échamado pirólise. Se o processo for realizado em presença do oxigênio ou ar, emquantidade suficiente para promover a decomposição completa da biomassa, tem-se acombustão ou gaseificação. A liquefação catalítica é outro processo utilizado paraproduzir combustíveis líquidos e produtos químicos a partir da biomassa.

A pirólise é o processo de conversão térmica da biomassa a temperaturas entre 300 e800°C, na ausência total do ar, ou com uma pequena quantidade de ar que nãoprovoque uma combustão significativa. A pirólise da biomassa também é chamadade carbonização ou destilação destrutiva ou destilação da madeira. Geralmentechama-se de carbonização o processo onde o carvão vegetal é o principal produto deinteresse, destilação da madeira quando se deseja produzir líquido, destilaçãodestrutiva tanto o líquido como o carvão, e gaseificação o gás combustível. O calorpode ser introduzido no processo indiretamente ou produzido por uma combustãoparcial da biomassa (aquecimento direto). A pirólise realizada a altas temperaturas(LOOO0C) maximiza a produção de gás (gaseificação), enquanto a pirólise a baixastemperaturas (<500°C) maximiza a produção de carvão vegetal.

No caso da madeira ou outro vegetal qualquer, há uma decomposição pelo efeito datemperatura resultando em carvão vegetal, um produto sólido e produtos voláteisparte dos quais podem ser condensados obtendo-se os produtos relacionados a seguir.Licor pirolenhoso, englobando duas fases. A primeira fase é o ácido pirolenhoso, oufração aquosa do licor pirolenhoso, que é uma solução aquosa marrom apresentandovários componentes tais como ácido acético metanol, alcatrão solúvel, e constituintesem menor proporção. A segunda fase é o alcatrão insolúvel, denso e viscoso, tambémdenominada de fração oleosa ou pesada, de cor negra, apresentando dezenas decomponentes. Esta fração se separa do ácido pirolenhoso por gravidade. Comexceção do vapor d'água, os produtos voláteis condensáveis são altamente poluentes.

A emissão de uma densa fumaça contendo esses vapores, característica dos fornos dealvenaria em uso no Brasil, é prejudicial à saúde, afetando as vias respiratórias daspessoas que estão próximas à planta de carbonização que utiliza fornos de alvenaria.

Ao se condensarem, irão poluir o solo e o lençol freático.

As temperaturas empregadas na carbonização estão normalmente na faixa de 300-5OO'C, e o carvão é o principal componente dos produtos da decomposição damadeira. Enquanto a madeira possui grande peso e sua combustão produz muitafumaça, o carvão vegetal possui alto poder calorífico, é leve e se queima semfumaça. O carvão vegetal contém cinzas, que são originárias da madeira utilizada, eo seu teor depende do tipo de madeira, quantidade de cascas, contaminação com terraou areia, etc. Alem do carvão vegetal é liberada uma fase gasosa contendo gasescondensáveis e gases não condensáveis. Os gases não condensáveis (GNC) contêmconstituintes combustíveis, e podem ser queimados para produzir energia térmica. OGNC consiste basicamente de CO2, CO, H2, CH4, e CnHm. Os gases condensáveis,que também contêm constituintes combustíveis, são muito prejudiciais à saúde, ealtamente poluentes. Ao se condensarem produzem líquidos que contaminam o soloe o lençol freático. Essa poluição é característica das plantas de carbonização queutilizam fornos que não aproveitam a fase gasosa emitida pela madeira emcarbonização.

Pirólise é o processo termodinâmico básico para converter a biomassa em produtosmais úteis e de maior valor econômico. Quando a biomassa é aquecida na ausênciade ar, ela se decompõe termicamente em outros compostos menos complexos, epassa por vários estágios até a sua conversão em carvão vegetal. Muitos fenômenosfísicos e reações químicas ocorrem durante o processo de carbonização, os quaisestão estreitamente relacionados com a temperatura do processo. O processo depirólise consiste em um conjunto de reações complexas envolvendo a formação deradicais intermediários. Como resultado tem-se um resíduo sólido rico em carbono(carvão vegetal), e uma fração volátil composta de gases, vapores orgânicos ecomponentes de alcatrão. E esta fração volátil que se não for aproveitada quer para ageração de energia térmica, quer para a recuperação dos vapores condensáveis, torna-se altamente poluente, nociva para a saúde das pessoas que estão nas proximidadesda planta de carbonização, e prejudicial ao meio ambiente. Apesar de ser umatecnologia relativamente simples de conversão de biomassa em combustíveis sólidos,líquidos e gasosos, a carbonização é um processo bastante complexo quandoexaminado do ponto de vista cientifico.

A biomassa contém celulose, hemicelulose e lignina. A celulose e a hemicelulose sãoaçúcares que se decompõe gerando os componentes voláteis durante a carbonização.Uma vez iniciada a pirólise, a celulose e hemicelulose são quase totalmentedecompostas (volatilizadas) a 400°C. A lignina é o componente mais estável damadeira e decompõe-se mais lentamente, sendo o principal contribuinte da formaçãodo carvão vegetal (carbono fixo).

0 processo de carbonização pode ser dividido em cinco fases distintas.

1 - Secagem. A madeira absorve calor e é seca, liberando a umidade como vapord'água. Intervalo de temperatura nessa fase: 20 - IlO0C. A temperatura permaneceem torno de IOO0C até que a madeira seja completamente seca. Uma madeira verdecontém entre 50 e 70% de água, que deve ser evaporada antes que a temperatura damadeira possa aumentar. A secagem é um processo endotérmico.

2 - Término da secagem. Traços finais de água são liberados, poucas reaçõesimportantes. É uma fase endotérmica. Intervalo de temperatura: 110 a 175°C.

3 - Pré-carbonização ou torrefação. É ainda uma fase endotérmica que ocorre nafaixa de temperatura 175 a 270°C. Aumento da taxa de reação e início da liberaçãode voláteis. Pequena eliminação de gases. A madeira começa a se decompor,liberando CO, CO2, ácido acético e metanol. A madeira adquire a cor marrom-violeta.

4 - Transição. As reações de decomposição continuam e as reações se tornamexotérmicas. Intervalo de temperatura: 270 - 290°C.

5 - Carbonização. A reação torna-se exotérmica, liberando calor. A reação se tornatermicamente auto-sustentável, e a temperatura do meio aumenta devido à liberaçãotérmica até cerca de 380 - 450°C. O processo de decomposição térmica acelera,liberando mais calor, de modo que a temperatura não abaixa desse valor enquanto acarbonização continuar. Importante fase de reações de decomposição e grandeeliminação de gases. A composição dos gases se modifica, diminuindo os gasesoxigenados e surgindo um gás combustível contendo CO, H2, CH4, hidrocarbonetos,juntamente com CO2 e vapores condensáveis. Alcatrão e piche começam a se tornarpredominantes com o aumento de temperatura. A taxa de decomposição atinge seumáximo a 355° (pico na curva DTG). O resíduo final dessa fase é carvão vegetal. Oteor de carbono fixo do carvão vegetal depende da temperatura final dessa fase, quepode atingir 500°C.

É importante observar que o processo de carbonização se inicia por uma fasealtamente endotérmica, que é a secagem da madeira. Normalmente o consumo decalor para a secagem da madeira é atendido mediante a queima de parte da madeiraenfornada, embora no balanço energético final o calor liberado pelas reaçõesexotérmicas e pela combustão dos gases emitidos pela madeira seja superior àsnecessidades térmicas do aquecimento inicial e secagem da madeira. O problema dese aproveitar a energia liberada na fase exotérmica para atender a demanda térmicada secagem da madeira está na defasagem das duas etapas, e no fato da etapaendotérmica do processo de carbonização da madeira preceder a etapa exotérmica.Na fabricação do carvão vegetal a última etapa é o resfriamento.

A tabela número 1 mostra a evolução teórica da carbonização da biomassa.

Tabela 1 - Evolução Teórica da Destilação da Madeira.

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Fontes: Uhart, 1971; Doat e Pétroff, 1975

Estado atual da técnica

Mais de oito milhões de toneladas de carvão vegetal são consumidos anualmente noBrasil e, desse total, aproximadamente 60% é produzido com madeira de eucaliptoproveniente de reflorestamento. A maioria das carvoarias industriais brasileiras operacom fornos de alvenaria tradicionais tipo colméia, conhecido popularmente como"forno rabo quente". Esses fornos utilizam como fonte de energia a combustão departe da madeira enfornada, porque não possuem sistema de aproveitamento daenergia liberada durante a etapa exotérmica do processo. Alem disso não permitemcontrole das propriedades do carvão vegetal produzido, uma vez que o parâmetro daoperação é a cor do efluente que é liberado diretamente para a atmosfera.

O uso difundido do carvão vegetal ao longo da história permitiu o desenvolvimentode diversos tipos de fornos para a produção de carvão vegetal, muitos delesexistentes até hoje. O primeiro método de produção de carvão vegetal foiprovavelmente o forno poço, ainda usado atualmente, onde a madeira é colocada emum buraco, coberta com terra e queimada lentamente. Quanto ao método de geraçãode calor os fornos de carbonização podem ser classificados em:

a) - Queima interna (combustão controlada de parte do material).

b) - Queima externa (fornalha externa).

c) - Retorta (recirculação de gases ou aquecimento interno).

Os fornos de carbonização de queima interna são os mais comuns. A carbonização seinicia com a introdução controlada de ar no forno, de modo a queimar parte da lenhacontida e aquecer o forno até atingir a temperatura de carbonização. Uma veziniciada a carbonização, a entrada de ar é fechada parcialmente e o processo decarbonização continua até que toda lenha seja transformada em carvão vegetal. Osgases e voláteis produzidos na carbonização são liberados para a atmosfera, só seproduzindo o carvão. Nestes fornos em torno de 15 a 20% (massa) da madeiraenfornada é consumida na queima. Este é um dos métodos mais antigos de se fazercarvão vegetal e os fornos mais utilizados que funcionam de acordo com esseprincípio são: fornos medas, caieiras, fornos de encosta, fornos metálicos, e fornos dealvenaria. Até hoje no Brasil são utilizados somente os fornos de alvenaria.

Nos fornos de queima externa, a combustão é realizada numa fornalha externa aoforno. Os gases quentes dos produtos da combustão são introduzidos no forno parasecar a lenha e realizar a carbonização. Na câmara de combustão podem serqueimados resíduos, cascas, galhos, finos de carvão vegetal, alcatrão, óleocombustível ou gás natural. Este sistema é mais caro e de construção maiscomplicada, mas possui melhor controle da operação, produz um carvão vegetal demelhor qualidade e com maior rendimento.

As retortas são fornos de carbonização que utilizam uma fonte externa de calor paraaquecer a biomassa contida numa câmara fechada. As retortas permitem arecuperação dos óleos voláteis e gases que são co-produtos da pirólise, e tambémpermitem melhor controle do processo, produzindo carvão vegetal de alta qualidadecom elevado rendimento, e com mínima emissão de poluentes. Devido ao altoinvestimento, não são economicamente viáveis se o objetivo único for a produção decarvão vegetal. Os processos de retorta são normalmente usados quando se tem porobjetivo principal a recuperação dos produtos condensáveis. O licor pirolenhoso,contendo água, alcatrão e os chamados pirolenhosos, passa por uma serie detratamentos que permitem a recuperação de vários produtos químicos importantes(ácido acético, metanol, aromatizantes alimentares, solventes, etc).

Os processos de retorta exigem o corte das toras de madeira com o comprimentomáximo de 30 cm. O investimento na planta de carbonização é aumentado pelanecessidade de uma serraria de grande porte. Alem disto a operação de serrar amadeira aumenta o custo de fabricação do carvão vegetal.

No Brasil, até o presente momento se utiliza apenas o processo de carbonização emfornos de alvenaria. A quase totalidade do carvão vegetal produzido nesses fornos noBrasil se destina à indústria siderúrgica. Predominam os fornos de alvenaria tipocolméia, popularmente denominados "fornos rabo quente".O forno típico usado pela indústria siderúrgica brasileira tem uma capacidade de 10 a30 metros cúbicos. A figura 1 é uma representação esquemática do mesmo. O forno écarregado através da porta 1 e em seguida selado. A ignição da pilha de madeira éfeita através do orifício 2 no topo da cúpula do forno. A carbonização é efetuada decima para baixo, o ar sendo admitido através de orifícios 3 nas paredes verticais, afumaça sendo expelida através dos mesmos orifícios 3. Quando a fumaça expelida setorna azul clara, todas as aberturas e orifícios são fechados e selados com barro, a fimde se evitar a infiltração de ar, que iria queimar o carvão vegetal resultante dacarbonização da madeira. Tem lugar então o resfriamento da carga. O tempo totalpara o ciclo completo da fabricação de carvão vegetal nesse tipo de forno varia de 9 a12 dias.

Uma evolução dos fornos de alvenaria de carbonização de madeira foi odesenvolvimento do forno retangular de grandes dimensões, figura 2. Esse forno foidesenvolvido em Missouri, Estados Unidos tendo como objetivo a diminuição damão de obra no processo quase artesanal que caracteriza a produção de carvãovegetal nos fornos de alvenaria. O objetivo principal do forno Missouri é amecanização das operações de alimentação da lenha em toras, e a retirada do carvãovegetal. As dimensões do forno permitem a entrada de um caminhão ou grua para acolocação das toras de madeira, evitando-se assim o manuseio das mesmas. Permitetambém a retirada do carvão vegetal por meio de uma pá carregadeira. Essamecanização é a principal vantagem do forno Missouri, que foi desenvolvido em umpaís onde a mão de obra é cara.

O volume médio de um forno retangular está na faixa 180 - 200 metros cúbicos. Asdimensões internas mais comuns são 11x4x3,5 metros, a espessura das paredes 4,figura 2 sendo normalmente 25 cm. As paredes são em tijolos refratários silico-aluminosos de baixa densidade. A porta 5 é de chapa grossa protegida por umconcreto refratário. O forno é equipado com uma chaminé 6 colocada lateralmente.As entradas de ar 7 estão situadas na base do forno. A madeira é carregada sobre umabase de toras dispostas transversalmente sobre o solo. A ignição é dada através de umcanal 8 situado sob o forno na parte central do mesmo.

A carbonização é controlada pela cor das fumaças, tal como ocorre nos fornos "raboquente". A cor azulada das fumaças indica o término do processo de carbonização.Fecham-se então as entradas de ar 7, tendo início o resfriamento do carvão vegetal.Tal como nos pequenos fornos de alvenaria tipo "rabo quente", o ciclo total entre ocarregamento das toras no forno e a retirada do carvão vegetal varia de 9 a 12 dias.Uma deficiência do forno retangular de grandes dimensões é a dificuldade de umacarbonização homogênea. Em determinado momento pode haver no interior do fornoregiões excessivamente quentes, com a queima do carvão vegetal, e regiões emtérmino de secagem. Uma evolução no controle do forno foi a implantação demedidores de temperatura baseados em sensores de infravermelho. Essas mediçõesindicam eventuais regiões do forno excessivamente quentes ou frias, e medidasadequadas de controle de entrada do ar são adotadas para a homogeneização dacarbonização no interior do forno.

No Brasil, fornos retangulares baseados na descrição acima foram instalados poralgumas empresas siderúrgicas, particularmente usinas integradas. A maioria dascarvoarias brasileiras trabalha com fornos de alvenaria tradicionais que não possuemsistemas de eliminação ou reciclagem das fumaças, estando a carbonização orientadaexclusivamente para a produção de carvão vegetal.

Uma das características básicas dos fornos de alvenaria é a queima de parte damadeira enfornada em virtude do não aproveitamento da energia desprendida pelasreações exotérmicas da carbonização, e da energia contida nos gases emitidosdurante o processo. Uma considerável superposição das etapas de secagem ecarbonização ocorre nos fornos de alvenaria. O lançamento para a atmosfera de gasespoluentes é outra característica desses fornos. Esses gases contêm aproximadamente45 a 50 quilos de metano por tonelada de carvão vegetal produzido, que, éequivalente sob o ponto de vista de causador do "efeito estufa" a uma tonelada deCO2.

No processo tradicional de fornos de alvenaria para a carbonização da madeira, énecessário armazenar a madeira ao livre com o objetivo de secá-la. No momento docorte, a madeira tem em média 50% de unidade (base úmida). E inviável acarbonização da madeira com esse teor de umidade, sendo imprescindível a reduçãoda umidade até o intervalo 25 - 30% (b.u.). Isto é obtido mediante o empilhamentoda madeira de modo adequado durante um período que varia de 100 a 120 dias,dependendo da época do ano. As seguintes operações, que envolvem muita mão-de-obra, caracterizam o manuseio da lenha entre o momento do corte na floresta e acolocação das toras em fornos de alvenaria.

> Corte da lenha em toras com aproximadamente um metro de comprimento.

> Empilhamento das toras de madeira de modo adequado para secagem aotempo.

> Retirada da madeira das pilhas, e colocação no caminhão.

> Transferência da lenha do caminhão para o forno de alvenaria, quando seutiliza fornos retangulares, ou para um pátio no caso de fornos "rabo quente".

> Colocação da lenha no forno tipo "rabo quente".

> Transferência do carvão vegetal do forno de alvenaria para o caminhão queirá transportá-lo até o silo de armazenamento.

> Transferência do carvão vegetal do caminhão para o silo.

0 envolvimento de trabalhadores braçais para essa seqüência de operações éresponsável por cerca de 60% do custo de fabricação do carvão vegetal. Alem disto,ao retirar por meio de pás - manual ou mecanicamente - o carvão vegetal do fornode alvenaria, uma parte da terra do piso do forno é arrastada, contaminando o carvãovegetal, provocando assim um acréscimo no teor de cinzas do mesmo.

Entende-se por rendimento gravimétrico a relação (kg de carvão vegetal)/(t demadeira desidratada). Em virtude da queima de parte da madeira enfornada orendimento gravimétrico dos fornos de alvenaria é baixo, estando no intervalo 28 -34%. Significa que se produz entre 280 e 340 quilos de carvão vegetal por toneladade madeira desidratada. A faixa superior desse intervalo é obtida nos fornosretangulares que dispõem de controle de temperatura por sensores de infravermelho.

Do exposto as principais desvantagens da carbonização em fornos de alvenaria,inclusive os de grandes dimensões retangulares são:

1 - Baixo rendimento gravimétrico com a conseqüente subutilização da biomassalenhosa.

2 - As fumaças da carbonização são liberadas diretamente para o ambientecontaminando os trabalhadores e os arredores.

3 - As paredes de alvenaria são más condutoras de calor o que faz com sejamnecessários dias para o resfriamento do carvão vegetal a temperaturas quepossibilitem manuseio, carga e transporte.4 - Dificuldade de obtenção da uniformidade de temperatura na frente decarbonização em todas as regiões do forno, o que acarreta diferenças no teor decarbono fixo do carvão vegetal, que apresenta qualidade variável em função da suaposição no forno. Assim em uma fornada podem ser obtidos carvões em diferentesestados de decomposição térmica, ou seja, de madeira torrada no piso do forno atécarvão com teor de carbono fixo de 80% que se forma na parte superior da cargaenfornada.

5 - O treinamento da mão-de-obra é extremamente dificultado em função doempirismo com que se conduz a carbonização nos fornos de alvenaria (coloração defumaças, temperatura externa das paredes do forno).

6 - Dificuldade de padronizar a rotina de carbonização em função das diversasmaneiras com que se pode conduzir a carbonização em fornos de alvenaria.

7 - Queima de parte da madeira para o fornecimento do calor necessário ao processo.

8 - Tempo longo de carbonização e consequentemente baixa produtividade.

9 - Não aproveitamento dos constituintes gasosos (condensáveis e não condensáveis)desprendidos durante a carbonização da madeira.

10 - Necessidade de armazenar a madeira ao ar livre com a finalidade de reduzir aumidade da mesma.

Solução dos problemas

Para resolver os problemas supramencionados, idealizamos um sistema de fabricaçãodo carvão vegetal que utiliza como fonte da energia necessária para o processo osconstituintes gasosos emitidos pela madeira em carbonização. O sistema idealizado ébaseado nos conceitos básicos descritos a seguir.

Embora a energia desprendida durante a fase de carbonização da madeira sejasuperior às necessidades térmicas do processo, os fornos de alvenaria não aproveitamessa energia, porque a disponibilidade da mesma está defasada em relação à etapaendotérmica de secagem da madeira. Ou seja, o processo de carbonização da madeiraé auto-suficiente em energia térmica. No entanto essa energia somente é disponívelapós a fase endotérmica da secagem, motivo pelo qual é necessário queimar parte damadeira alimentada nos fornos de alvenaria para atender a demanda térmica davaporização da água contida na madeira. A característica fundamental do Processoora apresentado é a nítida separação das fases de secagem e carbonização, que seefetuam em reatores independentes, de tal modo que a energia contida nos gasesdesprendidos pela matéria vegetal em carbonização seja aproveitada na faseendotérmica da secagem. O Processo ora apresentado resolveu o problema daincompatibilidade entre a fase inicial endotérmica da secagem, e a fase exotérmicaque fornece energia suficiente para atender a demanda térmica da vaporização daágua contida na madeira.

Os conceitos básicos do Processo ora apresentado são:

1 - Utilização dos gases emitidos - condensáveis e não condensáveis - como fonteda energia necessária ao processo de carbonização, não havendo desse modo queimade parte madeira enfornada.

2 - Utilização dos gases emitidos pela madeira em carbonização como um fluidotérmico para a transferência de calor durante a fase inicial endotérmica da pirólise.

3 - As funções de secagem, carbonização da madeira, e resfriamento do carvãovegetal se processam simultânea e independentemente em no mínimo três reatores.

Os gases emitidos durante a pirólise, com um poder calorífico significativo, sãoqueimados em uma câmara de combustão, onde geram gases quentes, que sãotransportados para o reator no qual se processa a secagem da madeira.

Qualquer reator pode desempenhar as funções de secagem, carbonização eresfriamento. O processo pode ser efetuado em mais de três reatores, dependendo dacapacidade final desejada para a planta de carbonização.

A figura 3 mostra um esquema da disposição do Processo ora apresentado. O sistemaconsiste de três reatores independentes, 9, 10 e 11, e uma câmara de combustão 12colocada externamente aos mencionados reatores. Admitamos que em determinadomomento o reator 9 esteja na etapa de secagem, o reator 10 de pirólise, e o reator 11esteja na fase carvão vegetal. No reator 10 gases condensáveis e não condensáveiscontendo constituintes combustíveis, são desprendidos pela madeira emcarbonização. Esses gases saem do reator 10 pelo duto 13. Grande parte desses gasessão conduzidos pelo duto 13 até o duto coletor de gases da pirólise 14. Nessepercurso eles passam pelas válvulas especiais 15 e 16. A válvula 15 permaneceaberta para a passagem dos gases até o duto coletor 14, mas impede a passagem dosmesmos para o duto coletor de gases de diluição 17. Do duto coletor 14 os gasespirolíticos são conduzidos até o combustor 18 da câmara 12, vazão controlada pelaválvula 19, passando antes pelo gaseificador 20. No combustor 18 os gases dapirólise se misturam ao ar comburente insuflado pelo soprador 21, vazão controladapela válvula 22, chegando ao combustor 18 após pré-aquecidos pelo trocador decalor 23 colocado no interior da câmara de combustão 12. A queima dos gasespirolíticos no combustor 18 gera os gases quentes destinados a atender a demandaendotérmica da secagem da madeira. A outra parte dos gases da pirólise retorna aoreator 10 aspirados pelo soprador 24 através do duto 25, vazão controlada pelaválvula 26. A finalidade desse retorno é controlar a temperatura no reator no qual seprocessa a pirólise da madeira, pois é essa temperatura que vai definir a qualidade docarvão vegetal, principalmente no que se refere ao teor de carbono fixo. Portanto,parte dos gases da pirólise formam um circuito fechado, um "looping". O circuitofechado dos gases combustíveis com a finalidade de um preciso controle dessa etapada carbonização da biomassa é uma das características fundamentais do processo oraapresentado. O término da carbonização é indicado pela redução na vazão dos gasespirolíticos emitidos pela madeira. A temperatura no reator 10 no qual se processa acarbonização da madeira é controlada de modo a permanecer na faixa 310 - 340 □,adequada para a obtenção do carvão vegetal com o teor de carbono fixo desejadopara os fornos de ferro gusa. A velocidade da carbonização é controlada pela vazãode retorno dos gases pirolíticos.

Os gases quentes gerados pela queima dos gases combustíveis na câmara 12 sãoaspirados pelo soprador 27 através do duto 28, e conduzidos ao duto coletor de gasesquentes 29, vazão controlada pela válvula 30. Do duto 29, os gases quentes sãoaspirados pelo soprador 24 através do duto 31, passando pela válvula 32 totalmenteaberta, e pela válvula de controle de vazão 33. Os gases quentes são então insufladosno reator de secagem 9. Aos gases quentes insuflados no reator 9 são incorporados ovapor d'água proveniente da secagem da madeira. Essa mistura gasosa sai do reator 9numa temperatura aproximada de 120D através do duto 13, e é conduzida ao dutodistribuidor de gases da diluição 17, a válvula 15 permanecendo totalmente aberta, ea válvula 16 totalmente fechada. O duto 17 é um duto distribuidor de gases dadiluição. Esses gases são conduzidos ao duto 34, válvula controladora de vazão 35, edirigidos ao duto 28, onde se misturam com os gases quentes efluentes da câmara decombustão 12, antes do soprador 27. Durante a etapa de secagem, a máximaquantidade de calor deve ser fornecida ao reator no qual a mesma se efetua. Paraevitar temperaturas elevadas no reator de secagem, os gases quentes provenientes dacâmara 12 são misturados aos gases de diluição que circulam pelo duto 17, conformeexposto anteriormente. Essa técnica, que denominamos recirculação, permitealimentar o reator 9 de secagem na temperatura que se desejar. Verificamos que atemperatura ideal para os gases a serem introduzidos no reator de secagem está nointervalo 300 - 350D. Como resultado, durante a fase de secagem, não ocorrequalquer risco de superaquecimento indesejado nos containeres de aço. Alem disso asecagem efetuada em temperaturas elevadas provoca a formação de trincas e fendasna madeira, que irão afetar a qualidade do carvão vegetal. A técnica de recirculação éoutra característica essencial do processo ora apresentado.

No reator 11 está se processando o resfriamento do carvão vegetal. Esse resfriamentoé conduzido em duas etapas. Na primeira etapa desliga-se o soprador 24 e fecham-seas válvulas controladoras de vazão 26 e 32 dos dutos 25 e 31, permanecendo fechadatambém a válvula 15. O reator 11 deve estar completamente vedado, pois qualquerinfiltração de ar atmosférico acarretaria a combustão do carvão vegetal. Tem inícioentão o resfriamento do carvão vegetal por irradiação de calor para o exterior.Durante esse resfriamento parte do carbono contido na atmosfera gasosa provenientedo final da carbonização se incorpora ao carvão vegetal, aumentando levemente oteor de carbono fixo do mesmo. Alem disso essa atmosfera gasosa gera uma pequenapressão positiva, colaborando para impedir a infiltração de ar atmosférico. Oresfriamento será completado pela injeção de um finíssimo "spray" de água no reator11. A água é injetada sob elevada pressão por uma bomba 36 no nebulizador 37através do duto 38. O pulverizador provoca a nebulização da água em finíssimasgotículas que se evaporam rapidamente, concluindo assim o resfriamento do carvãovegetal. A injeção de água através do pulverizador é interrompida quando atemperatura no reator de resfriamento atingir 95°. O resfriamento é concluído até atemperatura que permite a descarga do carvão vegetal pela irradiação de calor para oexterior.

Deve-se notar que a madeira permanece imóvel nos reatores 9, IOe 11 durante todoo processo de carbonização, evitando-se desse modo a geração de finos de carvãovegetal. A operação será conduzida de tal modo que as etapas de secagem, pirólise eresfriamento ocorram simultaneamente, e sejam concluídas ao mesmo tempo. Notérmino do processo, o reator de secagem 9 passa a receber os gases quentes dapirolise; enquanto que no reator de pirólise 10 se inicia o resfriamento do carvãovegetal, e o container do reator 11 é retirado. O reator 11 recebe novo container demadeira, tendo início no mesmo o processo de secagem. A mudança das funções dosreatores 9, 10 e 11, que no término do ciclo de carbonização descrito passarão parareatores de pirólise, resfriamento e secagem respectivamente, é efetuada através demanobras nas válvulas 15, 16 e 31 colocadas nos dutos 14, 17 e 29.

No início de funcionamento do sistema não há disponibilidade de gás combustívelpara a câmara de combustão 12, pois nenhum dos três reatores está na fase depirólise. Portanto, é necessária uma fonte externa de calor para iniciar e concluir asecagem da madeira colocada no reator 9. Duas opções são disponíveis para a partidado sistema. Alimentar o combustor 18 com gás natural ou com GLP, ou, o que épreferível, instalar um gaseificador de madeira próximo ao conjunto de reatores, einiciar o primeiro ciclo queimando no combustor 18 o gás pobre efluente dessegaseificador. A figura 3 mostra o gaseificador de madeira 20, e o duto (39) quetransporta o gás pobre gerado no gaseificador 20 ao combustor 18. O agentegaseificante é aspirado do misturador (40) pelo soprador (41), e injetado nogaseificador 20, vazão controlada pela válvula (42). O ar atmosférico é transportadopara o misturador (40) pelo duto (43), vazão controlada pela válvula (44). Aomisturador (40) gás de diluição é conduzido pelo duto (45), válvula de controle davazão (46). Uma pequena proporção desse gás de diluição é misturada ao ar degaseificação para evitar temperaturas excessivas na região inferior do gaseificador. Acapacidade do gaseificador 20 deve ser adequada à demanda térmica do reator depirólise 9 de secagem da madeira. Alem disso esse gaseificador terá a função decomplementar o fornecimento de gás combustível ao reator de secagem no caso deuma eventual deficiência no suprimento do gás emitido pela madeira emcarbonização.

Note-se que uma vez dada a partida no sistema através da queima no combustor 18de um gás combustível proveniente de uma fonte externa ao sistema, o processo écontínuo, embora a madeira permaneça imóvel durante todo o ciclo. Haverá sempreum reator em secagem, um reator em pirólise, e o terceiro em resfriamento. Findo ociclo, muda a função de cada reator, mas o processo de carbonização é ininterrupto.O tempo total para a carbonização da madeira pelo processo ora apresentado é deaproximadamente 72 horas. Considerando a possibilidade de alimentar o reator desecagem logo após o corte da madeira, o tempo decorrido entre esse corte e aobtenção de carvão vegetal é de aproximadamente sete dias, enquanto que nos fornosde alvenaria, esse tempo pode alcançar até 140 dias.

No início do período de pré-carbonização, bem como no final da carbonização, ageração de gases contendo constituintes combustíveis é mínima. Para evitar a falta degases fornecedores de energia à câmara de combustão 12, e para garantir aregularidade no que se refere ao poder calorífico inferior, e à quantidade de gáscombustível que deve ser fornecido à câmara 12, deve-se dispor de no mínimo seisreatores em operação. Assim poderemos ter dois ou mais reatores em pirólise, doisou mais reatores em secagem, e o número correspondente de reatores emresfriamento. A operação simultânea permite sincronizar as varias etapas dafabricação do carvão vegetal. Para evitar oscilações na quantidade e no podercalorífico dos gases pirolíticos que irão para o combustor 18 da câmara 12, inicia-sea carbonização no segundo reator quando o primeiro se aproxima do máximo degeração de gases. Desse modo, quando a geração de gases combustíveis no primeiroreator começa a entrar em declínio, o segundo reator se aproxima da fase de máximaquantidade de geração de gases pirolíticos, o que permite manter a regularidade doprocesso. A produtividade do sistema é aumentada quando se utiliza no mínimo seisreatores. Recomenda-se a instalação de múltiplos de três para aumentar a capacidadedo sistema.

A figura 4 mostra um sistema constituído de seis reatores.Na figura 4 podemos ver três dutos principais, coletores dos diversos gases deprocesso. O duto (47) é o duto coletor dos gases pirolíticos, nele circulando somenteesse tipo de gases. O duto (47) conduz os gases pirolíticos para o duto (48), vazãocontrolada pela válvula (49). Os gases combustíveis provenientes da pirólise dabiomassa são conduzidos ao combustor (50) da câmara de combustão (51), chegandoao combustor (50) pelo duto (52). Esses gases foram gerados nos reatores nos quaisse processa a pirólise da madeira; admitamos que no momento escolhido para estadescrição sejam os reatores (53) e (54). Os gases emitidos pela madeira em pirólisesão conduzidos ao duto (47) pelo duto (55), passando antes pelas válvulas (56) e(57). Essas válvulas são dispostas de tal modo que a válvula (56) embora fechadapermite a passagem dos gases pirolíticos somente em direção ao duto (47) passandopela válvula (57), que neste momento permanece aberta. Parte dos gases pirolíticosretornam aos reatores (53) e (54) através do duto (58), aspirados pelo soprador (59),vazão controlada pela válvula (60). Tal como no caso da figura 3 com três reatores, afinalidade do retorno de parte dos gases da pirólise, é o controle de temperatura nosreatores (53) e (54), com a finalidade de se evitar o superaquecimento da madeira emcarbonização nesses reatores durante a fase exotérmica da pirólise. Com dois reatoresem carbonização da biomassa, fica assegurado o fornecimento de gás combustível àcâmara (51) na quantidade e na qualidade necessária para o processo.No momento escolhido para essa descrição, nos reatores (61) e (62) está seprocessando a secagem da madeira. Gases quentes gerados na câmara (51) sãoaspirados pelo soprador (63) através do duto (64), vazão controlada pela válvula(65), ao duto coletor de gases combustos (66). Desse duto os gases são conduzidosaos reatores de secagem (61) e (62) através do duto (67), vazão controlada pelaválvula (68). Estando os reatores (61) e (62) em secagem, os gases efluentes dosmesmos constituídos pelos gases combustos que entraram na faixa de temperatura300 - 350 □ mais o vapor proveniente da desidratação da madeira, são conduzidosatravés do duto (69) ao duto coletor de gases da diluição (70). Nesse momento asválvulas (56) permanecem abertas, e as válvulas (57) permanecem fechadas. Ou seja,os gases efluentes dos reatores em secagem tem acesso somente ao duto (70), sempossibilidade de acesso ao duto (47). Nesse momento as válvulas (60) permanecemabertas para a recirculação. Os gases de diluição são conduzidos ao duto (71),válvula de controle da vazão (72), ao duto (73) onde se misturam com os gasesquentes efluentes da câmara (51), de modo a se obter a faixa de temperatura idealpara a secagem, tal como descrito para o sistema com três reatores. Nesse momentonos reatores (74) e (75) está se processando o resfriamento do carvão vegetal. Talcomo no sistema com três reatores, o resfriamento é iniciado com os reatores (74) e(75) vedados, por irradiação de calor para o exterior, e completado pela injeção deágua pela bomba (76), através do duto (77) até o nebulizador (78); seguido pelairradiação de calor para o exterior quando a temperatura nos reatores de resfriamentocai para 95°C.

O processo ora apresentado permite um controle preciso da operação decarbonização da madeira, o que possibilita a obtenção de carvão vegetal com aspropriedades metalúrgicas especificadas pelo consumidor. O controle é feito pormeio de termopares (79) instalados na entrada e na saída de cada reator. Assim, noinício da etapa de secagem, a diferença entre a temperatura dos gases na entrada e nasaída do reator é grande, devido à forte demanda térmica para o aquecimento dalenha e a vaporização da água de umidade. No prosseguimento da secagem, essadiferença de temperatura diminui, a convergência das temperaturas indicará otérmino da secagem, e a disponibilidade deste reator para a etapa de carbonização damadeira. O controle da operação por meio de termopares na entrada e na saída dosgases em cada reator permite a automação da operação no sistema DPC.Durante a carbonização da madeira, quanto mais elevada for a temperatura, maior oteor de carbono fixo do carvão vegetal, e menor o rendimento gravimétrico dacarbonização. A figura 5 mostra a relação entre temperatura de carbonização, teor decarbono fixo do carvão vegetal, e rendimento gravimétrico. A principal utilização docarvão vegetal no Brasil é na indústria siderúrgica, nos altos fomos para a produçãode ferro gusa. O teor

de carbono fixo mais indicado para a operação dos altos fomos está na faixa 70 -75%. A figura 5 mostra que para este teor de carbono fixo, a temperatura de operaçãodo reator de carbonização deverá estar no intervalo 320 - 350°C.Como no processo ora apresentado não ocorre nenhuma combustão no interior doreator, e a temperatura não precisa ultrapassar 3 5 0°C, é possível colocar a madeiraem recipientes metálicos, pois essa faixa de temperatura é perfeitamente compatívelcom o comportamento do aço comum.

Cálculos termodinâmicos mostraram que a energia contida nos gases desprendidospela madeira em carbonização é suficiente para secar a madeira recentementecortada, quando então a umidade da mesma é da ordem de 50% (b.u.). Uma dasvantagens do processo ora apresentado é a possibilidade de alimentar no reator amadeira recentemente cortada, o que evita o ônus do armazenamento da mesma ao aratmosférico para a redução da umidade a níveis compatíveis com a carbonização emfornos de alvenaria. No entanto, se for conveniente a obtenção dos produtoscondensáveis da destilação da madeira, pode-se proceder como nos fornos dealvenaria, secando previamente a madeira ao ar atmosférico, e recuperar essesprodutos mediante condensação e posterior separação dos vários constituintes dosvapores condensáveis pelos processos convencionais adequados. Com a vantagem deque a separação se inicia durante a carbonização no processo ora apresentado emvirtude da independência das etapas do processo.

Alternativamente, os gases combustíveis emitidos pela madeira durante a etapa dapirólise podem ser utilizados como fonte de energia para qualquer outra finalidade,como por exemplo, para a geração termelétrica. Esta alternativa é particularmenteatraente no caso da planta de carbonização localizada nas proximidades do alto fornoa carvão vegetal. Gases quentes produtos da combustão efluentes de unidadesperiféricas da usina siderúrgica produtora de ferro gusa podem ser utilizados para asecagem da madeira. E, os gases da pirólise ou o alcatrão obtido pela condensaçãodesses gases podem ser utilizados para a geração termelétrica, tornando assim a usinasiderúrgica auto-suficiente em energia elétrica.

Conforme exposto anteriormente, no processo tradicional de fomos de alvenaria paraa carbonização da madeira, é necessário armazenar a madeira ao ar livre para asecagem da mesma. O envolvimento de trabalhadores braçais para a seqüência deoperações envolvida na secagem e transporte da madeira para a planta decarbonização é responsável por cerca de 60% do custo de fabricação do carvãovegetal. Deve-se acrescentar ainda o ônus financeiro decorrente do tempo necessáriopara essa secagem.

Para resolver esse problema de logística o processo ora apresentado encontrou umaexcelente solução baseada na utilização de caçambas de caminhão tipo "roll on".

A madeira, recentemente cortada na floresta, sem nenhuma necessidade deempilhamento para a secagem ao ar atmosférico, é cortada no comprimento dacaçamba "roll on". Obtém-se logo de início economia no menor número de cortes damadeira. Em seguida a madeira é colocada manualmente ou por meio de máquinasutilizadas na indústria florestal na caçamba do caminhão "roll on". O caminhão elevaa caçamba até a respectiva carroceria, e após o percurso necessário até a planta decarbonização, a coloca diretamente no interior do reator no qual a secagem damadeira terá início imediato. Resfriado o carvão vegetal após o término do processonesse reator, o caminhão retira a caçamba "roll on" do reator, e transporta o carvãovegetal até o silo de armazenamento do mesmo. Note-se que nenhuma intervençãodo homem ocorreu entre o corte da madeira e a descarga do carvão vegetal no silo.

Esta técnica é possibilitada pela ausência de qualquer combustão no interior do reatorde carbonização, e pelo controle de temperatura no mesmo. Alem disso, evitou-sequalquer contaminação do carvão vegetal por impurezas contidas no piso do forno. Afigura 6 mostra o arranjo da associação reator DPC - caçamba "roll on".É evidente a vantagem logística do Processo ora apresentado em relação aosprocessos convencionais de carbonização em fornos de alvenaria.

Outra característica importante do Processo ora apresentado é a possibilidade deinterromper a operação em qualquer etapa da carbonização da biomassa, devido àindependência dos reatores nos quais se efetuam as fases de secagem e resfriamento.Pode-se então obter madeira desidratada, madeira torrada (tiço no jargão do setor),ou carvão vegetal com elevado teor de voláteis. Este último é um combustível muitoconveniente, adequado para a substituição de derivados de petróleo em fornosindustriais ou em caldeiras a vapor para a geração termelétrica. A madeiradesidratada, a madeira torrada e o carvão vegetal com elevado teor de voláteisrepresentam uma concentração da energia da biomassa, sendo também combustíveismuito convenientes. Devido à dimensão e às grandes distâncias internas do Brasil, oaspecto "concentração de energia" da biomassa visando viabilizar o seu transportetorna-se relevante.

O Processo ora apresentado pode utilizar biomassa com pequenas dimensões, taiscomo, casca de coco, coco de babaçu, casca de coco de babaçu, resíduos de serraria,resíduos agrícolas em geral, capim elefante etc. Ensaios realizados em um reatorDPC mostraram a viabilidade na carbonização do capim elefante por esse processo, oque foi conseguido pela primeira vez no mundo.

O processo ora apresentado pode gerar os seguintes produtos:

> Carvão vegetal para fornos elétricos de redução, com no mínimo 78% decarbono fixo. Vantagens em relação ao coque: isento de enxofre, resistividadeelétrica mais elevada.> Carvão vegetal para a indústria siderúrgica. Vantagens em relação ao coque:isento de enxofre, reatividade mais elevada, menor volume de escoria devidoo baixo teor de cinzas.

> Carvão vegetal com 35 a 50% de matéria volátil que denominamos CAV.Combustível ideal como substituto de combustíveis fósseis na indústria oupara geração termelétrica.

> Carvão vegetal a partir do capim elefante, de resíduos de serraria, ou dequalquer biomassa de pequenas dimensões.

> Madeira torrada.

> Madeira desidratada.

A tabela 2 mostra o poder calorífico inferior desses produtos. Como referencia, atabela 2 indica o PCI do eucalipto logo após o corte.

Tabela 2 - PCI dos principais produtos derivados da madeira.

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A tabela 2 mostra a importância da concentração energética que o Processo oraapresentado pode proporcionar para um país de dimensões continentais como oBrasil.

A tabela 3 mostra uma comparação entre o custo unitário de energia proveniente dabiomassa e do óleo combustível. A terceira coluna da tabela 3 indica a relação entreo custo unitário de energia proveniente dos vários tipos de biomassa e o custounitário da energia proveniente do óleo combustível.

Tabela 3 - Comparação do custo unitário da energia.

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As vantagens do Processo ora apresentado associado à utilização de caçambas "rollon" para o manuseio da madeira podem ser assim resumidas.

1 - Maior rendimento gravimétrico, em virtude de não se queimar a madeiraenfornada. Rendimento gravimétrico no intervalo 40 - 42%, enquanto que nos fornosde alvenaria esse rendimento está no intervalo 28 - 34%.

2 - Não emissão para a atmosfera de gases poluentes.

3 - Não é necessário o armazenamento da madeira após o corte.

4 - Imobilidade da madeira em carbonização nos reatores, o que minimiza a geraçãode finos de carvão vegetal.

5 - Significativa redução no custo de produção do carvão vegetal.

6 - Uma grande vantagem logística.

7 - Possibilidade de interrupção do processo de carbonização em qualquer etapa coma finalidade de se obter produtos como madeira desidratada, madeira torrada, oucarvão vegetal com elevado teor de voláteis para fins energéticos.

8 - Adequado para qualquer grau de mecanização ou automação.

9 - Controle preciso do processo, permitindo obter o produto com as especificaçõesdesejadas pelo consumidor.

10 - Menor número de cortes da madeira na floresta.

11 - Custo de investimento expresso em reais por tonelada de carvão vegetal inferiorao dos processos de retorta.

12 - Trata-se de um processo de produtividade muito elevada, o tempo decorridoentre o corte da madeira na floresta e a produção de carvão vegetal pode ser reduzidoa aproximadamente sete dias.

13 - Possibilidade de carbonização de biomassa com pequenas dimensões.14 - Como o metano emitido pela madeira em carbonização é queimado na câmarade combustão, é possível colocar no mercado de créditos de carbono uma tonelada degás carbônico por tonelada de carvão vegetal.

Numerosos ensaios, inicialmente em escala piloto, posteriormente em escalaindustrial, confirmaram todas as vantagens do Processo ora apresentado previstasteoricamente, em particular

no que se refere ao maior rendimento gravimétrico e à ausência de qualquerpoluição.

As vantagens mencionadas nos itens 1, 3, 4, 6, 8, e 10 são aquelas que conduzem auma expressiva redução no custo de fabricação do carvão vegetal, redução esta que éda ordem de 75%.

Alem das vantagens econômicas, é importante mencionar as vantagens sociais que oprocesso ora apresentado pode proporcionar.

Elimina-se do setor de carvão vegetal a utilização de mão-de-obra infantil ou demão-de-obra escrava. Uma planta de carbonização da madeira que utilizar o Processoora apresentado empregará profissionais qualificados, devidamente treinados,representando, portanto, um ganho social.

O Processo ora apresentado oferece oportunidades para um expressivo ganho socialatravés do cultivo do capim elefante para fins energéticos pelo pequeno agricultor,que não tem condições financeiras para o plantio de uma floresta. O carvão vegetalobtido a partir do capim elefante não pode ser utilizado diretamente como termo-redutor devido suas pequenas dimensões. Mas pode ser utilizado como substituto decombustíveis fósseis em fornos industriais, em caldeiras, para a injeção de finos decarvão nas ventaneiras de altos fornos, ou para a geração termelétrica. E importantemencionar que a produtividade de biomassa seca expressa em toneladas por hectarepor ano, é superior à da floresta de eucalipto, em virtude do rápido crescimento docapim elefante. Em algumas regiões do País é possível o corte do capim elefantequatro vezes por ano. Uma adequada política energética no Brasil, que estimule autilização da biomassa como fonte renovável de energia, contribuirá sem dúvida paraa fixação do homem no campo, proporcionando uma solução para o problema doêxodo rural e a pressão dos migrantes sobre as grandes cidades.Ao permitir a concentração energética da biomassa, o Processo ora apresentadooferece uma perspectiva extraordinária para o desenvolvimento do Brasil, e aredução da desigualdade social ainda marcante no País.

A utilização da biomassa cultivada no setor siderúrgico é geradora de empregos nocampo, contribuindo assim para reduzir a migração dos trabalhadores rurais para asgrandes cidades. Cada 10 hectares de floresta cultivada gera um emprego no campo.

As vantagens econômicas do Processo ora apresentado podem ser assim resumidas.

A incidência do carvão vegetal no custo de fabricação do ferro gusa produzido nosalto-fornos que utilizam esse termo-redutor é da ordem de 60%. Considerando que omercado externo é o principal mercado do setor, uma significativa redução no custodo carvão vegetal que o Processo ora apresentado pode proporcionar, conformeexposto anteriormente da ordem de 75%, virá reduzir de modo expressivo o custo defabricação do ferro gusa e do aço, aumentando sensivelmente a competitividade dasempresas produtoras e exportadoras desses produtos. Deve ser mencionada a melhorqualidade desses produtos siderúrgicos quando se utiliza o carvão vegetal comotermo-redutor.

O rendimento gravimétrico ((kg carvão vegetal)/(t madeira desidratada)) do Processoora apresentado está no intervalo 40 - 42%. Se considerarmos o rendimentogravimétrico dos

fornos de alvenaria no intervalo 28 - 34%, o Processo ora apresentado representa umacréscimo de em média 30% nesse rendimento. Ou seja, enquanto que nos fornos dealvenaria se obtém entre 280 e 340 quilos de carvão vegetal por tonelada de madeiradesidratada, o Processo ora apresentado permite a obtenção de 400 a 420 kg decarvão vegetal por tonelada de madeira desidratada. Isto representa em média umacréscimo de 30% na produção de carvão vegetal por hectare de floresta plantada.

Ou seja, mantendo constante o consumo de carvão vegetal na empresa siderúrgica, afloresta durará um tempo 30% superior.

As autoridades do setor estão prevendo um "apagão florestal" dentro de dois ou trêsanos. Em outras palavras, faltará madeira para a fabricação de carvão vegetaldestinado às empresas produtoras de ferro gusa, o que acarretará sériasconseqüências sociais nas regiões produtoras deste produto. A adoção do Processoora apresentado pelo setor permitirá adiar a escassez desse insumo fundamental,dando mais tempo para que atitudes sejam tomadas para evitar a falta de um termo-redutor tão conveniente e importante para a siderurgia brasileira.

A significativa redução no custo de fabricação do carvão vegetal, e o aumento naduração da floresta cultivada, são suficientes para dar ênfase à importância doProcesso ora apresentado, um inovador processo desenvolvido integralmente noBrasil, para a economia do País.

Claims (15)

1. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado pela utilização de um conjunto deequipamentos consistindo de reatores verticais, câmara de combustão, trocador decalor, sopradores e um conjunto de dutos, como parte integrante da configuraçãoconstrutiva do sistema de carbonização da mencionada matéria vegetal.

2. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com a reivindicação 1,pela utilização de um conjunto de reatores verticais, no interior dos quais seprocessam simultânea e independentemente as etapas de secagem, e carbonização damatéria vegetal, e de resfriamento do carvão vegetal produzido.

3. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 2, pela utilização de uma câmara de combustão colocada externamente aosmencionados reatores verticais.

4. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTOcaracterizado de acordo com as reivindicações 1 e 3, pela utilização de um trocadorde calor metálico instalado internamente à câmara de combustão.

5. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZACONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTOcaracterizado de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, pela utilização de umconjunto de sopradores que tem por finalidade insuflar os gases através dos dutos queirão conduzir os respectivos gases aos reatores do sistema.

6. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1,-2, 3, 4 e 5, pela alimentação dos gases de processo em cada reator, gases esses com acomposição química e a temperatura que dependem da etapa do processo decarbonização que estiver em andamento no respectivo reator.

7. - Processo PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUEUTILIZA OS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 2 pela realização das etapas de secagem e carbonização da madeira, e resfriamentodo carvão vegetal simultaneamente em reatores independentes nos quais somenteuma dessas funções se desenvolve.

8. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1,-6 e 7 pela utilização dos gases emitidos pela madeira em carbonização como fluidotérmico para a transferência de calor durante a etapa endotérmica da fase de pirólise.

9. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 3 pela utilização da energia contida nos gases emitidos durante a carbonização damatéria vegetal para a secagem da madeira com umidade elevada, ou para osuprimento de energia para qualquer outra finalidade, como por exemplo geraçãotermelétrica.

10. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 2, pela possibilidade de se interromper o processo de carbonização em qualqueretapa do mesmo com a finalidade de se obter madeira desidratada, madeira torradaou carvão vegetal com elevado teor de voláteis, combustíveis muito convenientes.

11. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 2 pela possibilidade de se adotar qualquer grau de mecanização e automação.

12. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com a reivindicação 2,pelo controle da operação em cada reator através de medidas de temperatura dosgases de processo na entrada e na saída de cada reator.

13. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DOR-ESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 2,-6 e 7 pela colocação da matéria vegetal a ser carbonizada em caçambas de caminhãotipo "roll on" que servirão como containeres metálicos dentro dos quais as etapas desecagem e carbonização da matéria vegetal e o resfriamento do carvão vegetalproduzido se processarão simultânea e independentemente.

14. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1,-2 e 7 pela maior eficiência na condensação dos voláteis condensáveis emitidos pelamadeira em carbonização, e consequentemente melhor recuperação desses produtos,em virtude do processamento independente e simultâneo das etapas de secagem epirólise da matéria vegetal, quando se deseja a recuperação dos ditos produtoscondensáveis.

15. - PROCESSO DE OBTENÇÃO DO CARVÃO VEGETAL QUE UTILIZAOS CONSTITUINTES GASOSOS EMITIDOS DURANTE ACARBONIZAÇÃO DA MATÉRIA VEGETAL COMO FONTE DE ENERGIAPARA O PROCESSO E CONFIGURAÇÃO CONSTRUTIVA DORESPECTIVO EQUIPAMENTO caracterizado de acordo com as reivindicações 1e 2 pela possibilidade de se adotar qualquer grau de mecanização e automação, o quenão acontece com os processos de carbonização da madeira baseados em fornos dealvenaria.