Química da Madeira no Contexto Energético

Química da Madeira no Contexto Energético CH2OH O CH C O O OH OH CH2OH H3CO CH O CH HO OH xilose OCH3 H3CO OH Gilmara de Oliveira Machado An...
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Química da Madeira no Contexto Energético

CH2OH O CH C O

O

OH

OH CH2OH H3CO

CH O

CH

HO OH xilose

OCH3

H3CO OH

Gilmara de Oliveira Machado André Luis Christoforo Victor Almeida De Araujo Francisco Antonio Rocco Lahr

Gilmara de Oliveira Machado André Luis Christoforo Victor Almeida De Araujo Francisco Antonio Rocco Lahr

Química da Madeira no Contexto Energético

São Carlos EESC/USP 2016

 

Química da Madeira no Contexto Energético 

Sobre os Autores Gilmara de Oliveira Machado possui graduação (1997) em Ciências Exatas habilitação em Química, mestrado (2000) e doutorado (2004) na área de Ciências e Engenharia de Materiais. Na pesquisa de mestrado e doutorado atuou nos seguintes temas: modificação química de derivados de celulose, eletrólitos sólidos poliméricos a base de polissacarídeos e caracterização física e química de filmes condutores iônicos e seus componentes. Suas pesquisas de mestrado e doutorado foram desenvolvidas no Laboratório de Físico-Química Orgânica do Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Nessa área, realizou estágio de doutorado na Université Laval, no CERSIM (Centre de Recherche en Sciences et Ingénierie des Macromolécules), Québec/Canadá em 2003. De 2004 a 2007, realizou pesquisa de pós-doutorado no Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeira (LaMEM), na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), também na USP. No pósdoutorado atuou na área de preservação da madeira, tendo realizado estágio no CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) em Melbourne/Austrália em 2006. Atualmente é professora adjunta na Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO), no Departamento de Engenharia Florestal, Irati, Paraná.

André Luis Christoforo possui Graduação em Engenharia Civil pela Universidade de Franca (UNIFRAN), Especialização em Matemática Universitária pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), campus Rio Claro, Mestrado em Engenharia de Estruturas pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP), Doutorado em Engenharia de Estruturas pela EESC/USP e Pós-Doutorado em Engenharia de Estruturas também pela EESC/USP. Atualmente é professor adjunto do Departamento de Engenharia Civil (DECiv) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e do Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil (PPGECiv), atuando nas áreas: Mecânica dos Materiais, Estruturas, Madeira e Derivados da Madeira, Materiais Compósitos, Métodos Numéricos e Planejamento de Experimentos.

Química da Madeira no Contexto Energético 

Victor Almeida De Araujo é Engenheiro Industrial Madeireiro formado em 2011 pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, UNESP, Campus de Itapeva. Fundador do Grupo de Pesquisa LIGNO, ocupa as posições de Coordenador Executivo desde 2012 e de pesquisador desde 2010. Ministrou duas disciplinas como professor substituto na UNESP-Itapeva em 2015. Desde 2010 atua nas áreas de madeira, bambu, construções em madeira, compósitos lignocelulósicos, arquitetura em madeira, produtos florestais madeireiros e indústria madeireira, com o desenvolvimento de pesquisas nas linhas: propriedades e aplicações de compósitos lignocelulósicos, diagnósticos setoriais das indústrias madeireira e florestal, tipologias construtivas em madeira, desenvolvimento de processos e produtos do setor florestalmadeireiro. Atualmente é discente de Doutorado-Direto do Programa de Pós-Graduação em Recursos Florestais (PPGRF) Departamento de Ciências Florestais (LCF) da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” (ESALQ) da Universidade de São Paulo (USP).

Francisco Antonio Rocco Lahr é Engenheiro Civil formado em 1975 pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP). Desenvolveu nessa instituição sua carreira acadêmica, ocupando diferentes funções e cargos. Professor titular do Departamento de Engenharia de Estruturas (SET) desde 1993, atua nas áreas de: Madeiras, Estruturas de Madeira, Compósitos à Base de Madeira e Compósitos Cimentícios, com desenvolvimento de pesquisas nas linhas: propriedades e aplicações das madeiras e dos compósitos à base de madeira, estruturas de cobertura, pontes, fôrmas e cimbramentos, normalização, metodologia de ensaio e insumos alternativos na produção de painéis.

Química da Madeira no Contexto Energético 

Prefácio Este livro apresenta a fundamentação teórica de Química da Madeira no Contexto Energético, bem como vários exemplos de projetos, dimensionamento e detalhes construtivos de fogões à lenha, produzidos com materiais de fácil acesso, seguindo os princípios da tecnologia de fogões “Rocket Stove”. Os fogões foram projetados pelos alunos da disciplina de Química da Madeira, do terceiro ano do curso de Engenharia Florestal, da Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO), bem como pelos alunos de Iniciação Científica atuantes nessa área de pesquisa, no ano de 2012. Adicionalmente, são apresentados os resultados de algumas pesquisas realizadas com fogões à lenha utilizados nas residências da cidade de Irati, Estado do Paraná. A principal finalidade deste texto didático é fornecer, aos futuros Engenheiros Florestais e áreas afins, subsídios para um melhor entendimento da Química da Madeira no Contexto Energético. Este livro representa a experiência dos professores e pesquisadores Gilmara de Oliveira Machado, André Luís Christoforo, Victor Almeida De Araujo e Francisco Antonio Rocco Lahr no desenvolvimento de projetos acadêmicos e profissionais. Inicialmente, são apresentados aspectos básicos da Química da Madeira necessários para o entendimento do potencial energético da madeira. De maneira detalhada, se expõe toda a fundamentação teórica que envolve a combustão, quer completa ou incompleta, e a determinação da energia liberada na queima por meio da composição elementar e imediata do combustível. Como estudo de caso, são apresentados 7 projetos completos de fogões à lenha, de estrutura metálica, utilizando como lenha a madeira oriunda de eucaliptos, pinus e bracatinga, ambas de procedência local. A qualidade de cada fogão foi avaliada por meio dos parâmetros relacionados à sua eficiência, à potência calorífica, à liberação de gases de combustão (CO2, CO e SO2) e ao consumo de lenha.

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Adicionalmente, por meio de uma simulação teórica de uso em uma cozinha hipotética, estimou-se a concentração e exposição ao gás tóxico CO em condições reais de uso. Essa pesquisa foi comparada aos dados dos fogões metálicos da população das áreas periféricas e rurais da cidade de Irati/PR, que ainda possui uso frequente de fogões à lenha. Espera-se que este material seja um incentivo aos docentes para o estabelecimento de experimentos, projetos e cálculos ao longo de disciplinas ofertadas nessa linha de pesquisa, bem como exemplo de aula prática para alunos de graduação e mesmo pós-graduação interessados no desenvolvimento de equipamentos térmicos mais eficientes e de fácil projeção e construção. Registra-se agradecimento especial à Bibliotecária Elena Luzia Palloni Gonçalves, da EESC-USP, pela sua valiosa contribuição, aspecto que permitiu a finalização deste trabalho com o atendimento a todos os requisitos formais para uma obra desta natureza.

Irati/Itapeva/São Carlos

Gilmara, André, Victor e Rocco

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Apresentação Com a expectativa de proporcionar maior facilidade de compreensão para os leitores, este trabalho foi dividido em 9 capítulos. No Capítulo 1 se encontra a introdução do livro. No capítulo 2 são apresentados os principais fundamentos teóricos da Química da Madeira. Os conceitos relativos à reação de combustão, ou queima da madeira, são registrados no capítulo 3. As noções gerais pertinentes à construção e uso do fogão à lenha constam do capítulo 4. O capítulo 5 apresenta a metodologia utilizada para a determinação da eficiência de um fogão à lenha. Resultados de pesquisa de caracterização dos fogões à lenha utilizados por residentes da cidade de Irati/Paraná são mostrados no capítulo 6. Nos capítulos seguintes, são discutidos protótipos de fogões à lenha construídos por alunos da Iniciação Científica (capitulo 7) e da graduação em Engenharia Florestal (capítulos 8 e 9).

 

Lista de Figuras Figura

Descrição

Página

2.1

Composição química da madeira......................................................................

14

2.2

Extrativos da madeira........................................................................................

15

2.3

Compostos químicos presentes nos extrativos da madeira com seus respectivos grupos funcionais preponderantes..................................................

2.4

Fragmento de lignina de folhosa: (a) natureza aromática e (b) unidade formadora..........................................................................................................

2.5

Fragmento

de

lignina

de

conífera,

exemplificando

sua

Fragmento

de

lignina

presente

na

maioria

das

coníferas,

Fragmento

de

lignina

presente

na

maioria

das

folhosas,

18

e.g.,

Pinus.................................................................................................................. 2.7

17

natureza

entrecruzada...................................................................................................... 2.6

16

19

e.g.,

Eucalipto............................................................................................................

20

2.8

Macromolécula de celulose e sua natureza polialcoólica....................................

21

2.9

Exemplos de polioses de coníferas e folhosas, sendo Ac o grupo acetila (-COCH3 ) que no estágio de pirólise, durante a combustão, formam ácido acético (CH3COOH)..........................................................................................

22

2.10

Açúcares constituintes das polioses ou hemiceluloses.........................................

23

3.1

Composição energética da madeira.......................................................................

27

3.2

Estágios da combustão da madeira....................................................................

29

3.3

Etapas da combustão completa de combustível sólido (madeira).....................

31

3.4

Gaseificação do coque em temperaturas acima de 800°C.................................

33

3.5

Equação geral da combustão da madeira em ar atmosférico............................

33

3.6

Combustão completa da madeira de eucalipto..................................................

39

3.7

Proporção mássica dos componentes da equação balanceada..........................

40

4.1

Diferentes tipos de fogões.................................................................................

54

4.2

Consumo de energia por fonte e pelas famílias.................................................

55

4.3

Fogão rocket stove com detalhamento sobre: câmara de combustão, isolamento térmico e canalização do calor e fumaça da queima da lenha........

62

4.4

Detalhe da grelha na câmara de combustão......................................................

63

4.5

Manter a área da seção transversal constante....................................................

64

4.6

Queima da madeira: (a) limpa e (b) inapropriada com emissão de fumaça......

65

 

4.7

Esquema do fogão a lenha de três pedras..........................................................

65

4.8

Isolamento térmico no entorno da chama.........................................................

67

4.9

Pequena chaminé acima da câmara de combustão............................................

67

4.10

Tipos de chama na combustão: (a) alta e (b) baixa...........................................

69

4.11

Ajuste da saia no fogão a lenha: (a) uso apropriado, (b) abertura apropriada e (c) abertura inapropriada...................................................................................

69

4.12

Isolamento térmico da panela............................................................................

72

6.1

Fogões a lenha utilizados na pesquisa...............................................................

79

6.2

Variação das propriedades investigadas por tipo de fogão: eficiência, potência, volume de CO2, volume de SO2 e volume de CO.............................

83

7.1

Dimensões do fogão a lenha portátil.................................................................

87

7.2

Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis......................................

88

8.1

Constituintes do fogão a lenha portátil: (a) chaminé de zinco e (b) detalhe do isolamento térmico............................................................................................

95

8.2

Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis......................................

95

8.3

Comparação da eficiência versus quantidade de lenha consumida para o fogão a lenha portátil em conjunto com os três fogões referência....................

101

8.4

Dimensões do fogão a lenha portátil.................................................................

104

8.5

Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis......................................

105

8.6

Área de plantio e lenha consumida (U=9,6 %) versus eficiência do fogão portátil...............................................................................................................

9.1

110

Fogão (F-G1), proposto por Anderson Janiski, Érica Mayer, Evandro Teleginski, Jey Marinho de Albuquerque, Maicon Antonio Mosquer Veronez.............................................................................................................

113

9.2

Fogão (F-G2), proposto por Antenor Luiz Simão de Souza e Tiago Digner....

114

9.3

Fogão (F-G3), proposto por Carlos Cezar Cavassin Diniz...............................

114

9.4

Fogão (F-G4), proposto por Lucas Zappia Barcik, Wilson Morro Chamilete, Pâmela Caroline Lau e Fernanda Bortolanza Pereira........................................

9.5

114

Variação da eficiência pela variação da massa queimada em relação aos tipos de fogões avaliados...................................................................................

117

Química da Madeira no Contexto Energético 

Sumário 1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................

12

2 FUNDAMENTO TEÓRICO DA QUÍMICA DA MADEIRA...............................

14

3 REAÇÃO DE COMBUSTÃO OU QUEIMA DIRETA DA MADEIRA..............

26

3.1 Cálculo do consumo de ar atmosférico na combustão completa.......................

40

3.2 Cálculo da composição dos produtos da combustão...........................................

41

3.3 Volume total dos gases da combustão..................................................................

46

3.4 Poder calorífico do combustível............................................................................

46

4 NOÇÕES GERAIS SOBRE FOGÕES A LENHA..................................................

53

5 METODOLOGIA GERAL USADA EM TODOS OS FOGÕES A LENHA.......

73

6 PESQUISA 1: FOGÕES A LENHA DA CIDADE DE IRATI, PARANÁ............

77

Resumo...........................................................................................................................

77

Metodologia da Pesquisa 1...........................................................................................

77

Resultados e Discussões da Pesquisa 1.......................................................................

81

Conclusões da Pesquisa 1.............................................................................................

85

7 PESQUISA 2: PROJETO DE FOGÃO A LENHA PROPOSTO POR ALUNOS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA....................................................................................

86

Resumo...........................................................................................................................

86

Metodologia da Pesquisa 2...........................................................................................

87

Resultados e Discussões da Pesquisa 2.......................................................................

90

Conclusões da Pesquisa 2.............................................................................................

93

8 PESQUISA 3: PROJETOS DE MELHORIA DE FOGÕES A LENHA PROPOSTOS POR ALUNOS DE ENGENHARIA FLORESTAL..........................

94

8.1 Grupo 1: Avaliação do Desempenho Energético de Fogão a Lenha Portátil para a Cidade de Irati, Paraná.........................................................................................

94

Resumo...........................................................................................................................

94

Metodologia da Pesquisa 3 – Grupo 1........................................................................

95

Resultados e Discussões da Pesquisa 3 – Grupo 1.....................................................

98

Conclusões da Pesquisa 3 – Grupo 1..........................................................................

102

8.2 Grupo 2: Avaliação da Qualidade Energética e Ambiental de Fogão a Lenha Portátil para a Cidade de Irati, Paraná...............................................................

103

Resumo...........................................................................................................................

103

Metodologia da Pesquisa 3 – Grupo 2........................................................................

104

Química da Madeira no Contexto Energético 

Resultados e Discussões da Pesquisa 3 – Grupo 2.....................................................

107

Conclusões da Pesquisa 3 – Grupo 2..........................................................................

112

9 PESQUISA 4: PROJETOS DE FOGÕES A LENHA PROPOSTOS POR ALUNOS DE ENGENHARIA FLORESTAL............................................................

113

REFERÊNCIAS.......................................................................................................

118

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Capítulo 1 INTRODUÇÃO

Em virtude de sua vocação florestal, o Brasil tem apresentado, ao longo de sua história, ampla utilização da madeira nos mais variados contextos, englobando aplicações na construção civil, movelaria, embalagens, celulose e papel, adornos decorativos, instrumentos musicais e especialmente na geração de energia. Nesse caso, a energia oriunda de fontes biológicas e renováveis, como é o caso da madeira, seus subprodutos (e.g. carvão vegetal, peletes e briquetes) e seus resíduos possibilitam a geração de bioenergia, ou seja, a energia advinda da queima da biomassa de origem florestal. Essa conversão bioenergética pode ser aplicada na geração de calor, eletricidade ou até de combustíveis derivados para motores à combustão. As vantagens do uso da energia de biomassa sólida envolvem: - utilização de recursos renováveis como matéria-prima principal; - possibilidade de utilização de subprodutos e resíduos de base lignocelulósica; - baixa poluição, visto que as suas cinzas são pouco agressivas ao meio ambiente se comparadas às dos combustíveis fósseis; - baixo custo de produção e utilização; - grande confiabilidade se comparada aos combustíveis líquidos e gasosos, por conta da inexistência de explosões não controladas; - menor corrosão dos dispositivos de queima. A utilização da biomassa sólida à base vegetal é antiga no Brasil, particularmente na queima da madeira em fornos a lenha. No período anterior à popularização da energia elétrica, tais fornos eram encontrados em quase todas as casas. No entanto, atualmente esses dispositivos de queima ainda se fazem presentes no meio rural e, em alguns casos, ainda no meio urbano, por conta da carência de

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Química da Madeira no Contexto Energético 

energia elétrica, facilidade de obtenção da matéria-prima lignocelulósica (lenha) e baixo custo de operação e manutenção. Neste contexto, torna-se vital a disseminação de dados sobre a aplicação e utilização da madeira para bioenergia, bem como de seus principais conceitos, com o intuito de capacitar e elucidar teoricamente os usuários de fogões e os profissionais das cadeias florestais e da bioenergia.



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Capítulo 2 FUNDAMENTO TEÓRICO DA QUÍMICA DA MADEIRA A madeira é um material orgânico e os seus constituintes químicos estão relacionados às suas propriedades energéticas. O conhecimento da composição química da madeira é imprescindível na avaliação de seu potencial energético, bem como na qualificação e na quantificação das propriedades termoquímicas de interesse.

Figura 2.1 - Composição química da madeira.

Quimicamente, a madeira é composta por substâncias de baixa massa molar, denominadas como extrativos (natureza orgânica) e cinzas (substâncias inorgânicas), bem como por substâncias macromoleculares que compreendem os polissacarídeos (celulose e polioses ou hemiceluloses) e a lignina, indicados na Figura 2.1 e na Tabela 2.1 (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).



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Tabela 2.1 - Composição química de árvores lenhosas fornecedoras de madeira para energia. Composição (%)

Folhosas

Coníferas

Celulose

40 – 50

40 – 45

Hemicelulose ou Polioses

22 – 40

24 – 37

Lignina

15 – 20

25 – 30

Extrativos

1–5

2 – 10

Cinzas

0,1 – 1

0,1 – 1

Fonte: Le Couteur e Burreson (2006); Fengel e Wegener (1984); Hon e Shiraishi (1984) e Sjöström (1993).

No que se refere ao teor de extrativos (Figura 2.2), sabe-se que há considerável variação em sua distribuição na madeira de uma dada árvore. Os açúcares e outros constituintes da seiva e as substâncias de reserva – como graxas e amidos – são encontrados em maior frequência no alburno. Materiais fenólicos como, por exemplo, lignanas, flavanóides, fenóis simples e polifenóis, bem como terpenos e terpenodes, estão usualmente depositados no cerne (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

H2C OH

H2C OH

HC

CH

CH2

H2COCOR

CH2

CHOH CH2OH

HO OCH3

TERPENO TERPENONÓIDE

OCH3

OH

GRAXA

OH

LIGNANA

CH3 (CH2)n O CO

(CH2)m CH3

CERA

OH OH

COOH HO

O

ÁCIDO GRAXO OH

OH

CHO

R CH2 OH

ÁLCOOL

FLAVANÓIDE

OCH3 OH

FENOL Figura 2.2 - Extrativos da madeira. Fonte: Le Couteur e Burreson (2006); Fengel e Wegener (1984); Hon e Shiraishi (1984) e Sjöström (1993).

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Química da Madeira no Contexto Energético 

O conteúdo de extrativos na maioria das madeiras é baixo, geralmente em torno de 5%, porém, pode ser alto em algumas espécies de coníferas (Figura 2.3). Os extrativos apresentam alto teor calórico e contribuem em algumas das propriedades da madeira, tais como a cor, o odor e a durabilidade (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993; TILLMAN, 1978).

Fenois simples Polifenóis (lignanas) Flavanóides Taninos Quinonas Estilbenos

Terpenóides Terpenos

O C OR

Óleos Gorduras Ceras

o Sacarídeos n Figura 2.3 - Compostos químicos presentes nos extrativos da madeira com seus respectivos grupos funcionais preponderantes.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

O teor de cinzas, que na madeira é em torno de 1%, fornece informações da quantidade de substâncias inorgânicas provenientes principalmente da seiva bruta. As cinzas são formadas por sulfatos, oxalatos, carbonatos e silicatos, sendo que os contraíons mais comuns são: cálcio, potássio, magnésio e manganês (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993). Logo após a celulose, a lignina é o componente mais abundante do reino vegetal e se constitui em um polímero de natureza aromática e entrecruzada, com arranjo tridimensional e massa molar infinita (Figuras 2.4 e 2.5), constituída pelo entrelaçamento de unidades fenilpropano (ou unidade C9), que não se repetem de modo regular na macromolécula. Assim, a lignina não é um polímero, mas uma macromolécula de ligação cruzada variável de diferentes unidades fenólicas. Entra na composição da madeira em um percentual em torno de 18 a 24% e sua fórmula empírica é C9H10(OCH3)0,9-1,7 (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

CH2OH O CH C O

C C C

CH2OH H3CO

1

CH O

6

2

CH 3

5 4

O OCH3

H3CO

(a)

OH

FÓRMULA C9

(b)

Figura 2.4 - Fragmento de lignina de folhosa: (a) natureza aromática e (b) unidade formadora.

A lignina é o componente mais hidrofóbico da madeira, atuando como material cimentante ou adesivo entre as células, além de conferir dureza e rigidez à parede celular (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

17

Química da Madeira no Contexto Energético 

A lignina contribui significativamente para a rigidez das árvores e constitui por volta de 25% do peso seco da madeira. Seu alto teor de carbono eleva o conteúdo energético da madeira, fato que será mais explorado no tópico Combustão da Madeira. Em situação de pirólise, durante a combustão, os grupos metoxílicos (OCH3) da lignina se rompem e formam álcool metílico (CH3OH), (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

Figura 2.5 - Fragmento de lignina de conífera, exemplificando sua natureza entrecruzada. Fonte: Fengel e Wegener (1984); Hon e Shiraishi (1984) e Sjöström (1993).

A lignina das folhosas tem uma composição diferente daquela das coníferas, como mostram as estruturas de seus respectivos blocos constitutivos (Figuras 2.6 e 2.7).

18

Química da Madeira no Contexto Energético 

A rigidez propiciada pela lignina depende do grau de ligações cruzadas entre moléculas fenólicas. A lignina das coníferas permite maior quantidade de ligações cruzadas, o que explica sua maior rigidez (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993). CH2OH CH CH

OCH3 CH2OH

CH2OH

CH

C

CHOH

C O

O

H3CO

OCH3 OH

OH

Figura 2.6 - Fragmento de lignina presente na maioria das coníferas, e.g., Pinus.

CH2OH O CH C O

CH2OH H3CO

CH O

CH

OCH3

H3CO OH

Figura 2.7 - Fragmento de lignina presente na maioria das folhosas, e.g., Eucalipto.

19

Química da Madeira no Contexto Energético 

A celulose e as hemiceluloses (ou polioses) compreendem a fração polissacarídica da madeira, com cadeias altamente hidroxiladas e forte afinidade pela água, sendo as principais responsáveis pela hidrofilicidade da madeira e por seu teor de umidade de equilíbrio (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993). A celulose é um polímero de glicose, constituída por cadeias longas, planas como fitas, altamente hidroxiladas, sendo o principal componente de sustentação da parede celular dos vegetais e o mais abundante composto orgânico da natureza (Figura 2.8). Metade de todo o carbono orgânico é sustentado pela celulose. Calcula-se que cerca de 100 bilhões de toneladas de celulose sejam biossintetizadas e degradadas anualmente (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993). A celulose apresenta-se sob a forma de fibras, decorrente de seu alto grau de polimerização e cadeias de orientação linear. Longas cadeias de celulose empacotam-se bem juntas e se estendem lado a lado em feixes, que se torcem juntos para formar as fibras rígidas, insolúveis e visíveis a olho nu. Do lado de fora dos feixes estão os grupos hidroxílicos (OH) que não fizeram parte da formação da longa cadeira de celulose e são capazes de atrair moléculas de água. Por isso, a celulose é capaz de absorver água e, em conjunto com as hemiceluloses, é um componente altamente hidrofílico da madeira. Seu peso molecular varia de 162.000 a 2.400.000 g/mol, com uma média de 10.000 resíduos de glicose. Entra na composição da madeira com participação em peso em torno de 40 a 50%. A fórmula empírica da celulose é C5H8O4 (LE COUTEUR; BURRESON, 2006; FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

OH CH2 O

HO HO

OH

HO

OH

O

O OH

OH CH2

CH2 O OH

n-2

H OH

Figura 2.8 - Macromolécula de celulose e sua natureza polialcoólica.

20

O

Química da Madeira no Contexto Energético 

A celulose é encontrada dentro de uma matriz lignocelulósica que se constitui por uma mistura amorfa de hemiceluloses e lignina. As polioses ou hemiceluloses são os principais polissacarídeos não celulósicos da madeira, estando sempre associadas à lignina e à celulose. Não se verifica ligação direta entre a lignina e a celulose, na interface de ambas se encontram sempre as hemiceluloses. Estas (Figura 2.9) atuam como matriz para a celulose e aumentam a densidade de empacotamento da parede celular (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993).

CH2OH O

HO

OH O OAc

O

CH2

OH

O OH O

OH

O

OH

O

OH

OAc

O

O CH2OH

CH2OH

Segmento de Galactoglucomanana, principal hemicelulose de coníferas (aproximadamente 20%), com proporção de 0,1 de galactose para 1 de glicose e 4 de manose.

COOH O OH O

H3CO OH

O OAc O

O

O OH

OH O

O

O OH

OH Segmento de glucuranoxilana, principal componente das folhosas (15 a 30%).

Figura 2.9 - Exemplos de polioses de coníferas e folhosas, sendo Ac o grupo acetila (–COCH3) que no estágio de pirólise, durante a combustão, formam ácido acético (CH3COOH). Fonte: Fengel e Wegener (1984); Hon e Shiraishi (1984) e Sjöström (1993).

21

Química da Madeira no Contexto Energético 

As cadeias de hemiceluloses são mais curtas que a da celulose e altamente ramificadas, apresentando extensa ramificação nas cadeias laterais. De fórmula empírica C6H10O5, representam percentual de 20 a 30% na composição da madeira, não formam arranjos fibrosos como a celulose e são constituídas por diferentes moléculas de açúcares, no mínimo de dois tipos diferentes. Entre eles têm-se (Figura 2.10): arabinose, xilose, glicose, manose etc (FENGEL; WEGENER, 1984; HON; SHIRAISHI, 1984; SJÖSTRÖM, 1993). O conhecimento da composição química da madeira é fundamental para compreender seu comportamento como combustível e para determinar sua melhor utilização como lenha em equipamentos térmicos à base de biomassa. A madeira, combustível de composição química complexa, é responsável pelos valores de aquecimento variáveis entre os diferentes tipos de espécies arbóreas. Combustão é definida como reação química de oxidação exotérmica, que gera energia na forma de calor. Em geral, quanto mais reduzida for uma molécula, ou seja, quanto menor o seu conteúdo em oxigênio, mais energia ela contém, sendo esta energia liberada na reação com o oxigênio, por meio da combustão ou queima da madeira. Os hidrocarbonetos não possuem oxigênio, sendo constituídos exclusivamente de carbono e hidrogênio, e desta forma representam o ponto máximo de redução das moléculas ricas em energia. As reações de um composto orgânico com oxigênio produzem bastante energia na forma de calor e, por isso, são mecanismos de obtenção direta de energia de forma simples e prática. A lignina e os extrativos são os componentes de maior densidade energética da madeira (Tabela 2.2). Inversamente ao teor de carbono, quanto mais oxigenada for a molécula, menos energia ela contém. Os polissacarídeos (celulose e hemiceluloses) são altamente oxigenados e representam a fração menos energética da madeira. As hemiceluloses e celulose são responsáveis, no processo de combustão, pela formação da maioria dos produtos orgânicos voláteis e água, gerando fumaça e chama. No que se refere à



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Química da Madeira no Contexto Energético 

participação da lignina, esta contribui principalmente para a produção de alcatrões, coque, alguns hidrocarbonetos e pequena quantidade de água. O

OH

OH

OH (pirano)

piranose arabinose

O

OH

OH

O OH

HOH 2 C

furanose

(furano) O

OH

O

OH

OH HO OH x ilo s e Pentoses – possuem cinco átomos de carbono: xilose, arabinopiranose e arabinofuranose.

CH2OH OH

O

CH2OH

CH2OH

O

HO

OH

O OH OH

HO

OH

OH OH

HO

OH glicose

OH galactose

manose

Hexoses possuem seis átomos de carbono: glicose, manose e galactose.

COOH

COOH

COOH

HO

O

OH

O

H3CO

HO

OH

OH

OH

OH

OH ácido glicurônico

O OH

OH

OH

ácido metilglicurônico ácido galacturônico

Açúcares ácidos urônicos – possuem grupo ácido (COOH)

HO

O

O HO CH 3

OH

CH3

OH

HO OH

OH OH

fucose

ramnose

Açúcares Deoxy-hexoses

Figura 2.10 - Açúcares constituintes das polioses ou hemiceluloses. Fonte: Fengel e Wegener (1984); Hon e Shiraishi (1984) e Sjöström (1993).

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Química da Madeira no Contexto Energético 

Com a elevação da proporção relativa de lignina, aumenta a proporção relativa de carbono e diminui a de oxigênio, incrementando o conteúdo energético da madeira. Quando o conteúdo de lignina e de extrativos aumenta, maior será o valor de aquecimento, ou seja, mais energia é liberada na queima. Isso ocorre porque os polissacarídeos possuem uma razão C/O menor do que o da lignina (LORA; VENTURINI, 2012). Um exemplo é a madeira de Douglas fir (Pseudotsuga menziesii) (Tabela 2.2), na qual se observa que a lignina provê maior conteúdo energético que os polissacarídeos devido ao seu maior teor de carbono (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN et al., 1981).

Tabela 2.2 - Poder calorífico dos diferentes componentes orgânicos da madeira Douglas fir. Compostos

PCS (kcal/kg)

Holocelulose (polioses mais celulose)

4.184

Lignina

6.381

Extrativos

8.339 Fonte: Tillman (1978).

Dessa forma, madeiras de coníferas em média possuem maior conteúdo energético que as folhosas, por apresentam um maior teor de lignina e extrativos. Os extrativos contêm alto conteúdo energético, porém estão presentes em pequenas quantidades na madeira (CHEREMISINOFF, 1980; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Capítulo 3 REAÇÃO DE COMBUSTÃO OU QUEIMA DIRETA DA MADEIRA Combustão é definida como uma reação química de oxidação exotérmica, que gera energia na forma de calor, ruído e luz. A reação se estabelece entre uma substância combustível (madeira ou lenha) e o oxigênio (geralmente do ar), com uma fonte inicial de calor atuante no combustível (energia de ativação do processo) e subsequente reação em cadeia, a qual gera energia térmica adicional, propiciando a queima contínua autossustentada. Na falta de combustível, do oxigênio ou da não ocorrência da reação em cadeia, a combustão não acontece, ou se já existente, ela se extingue. A combustão direta é a forma mais prática e fácil de utilização da madeira como insumo energético, por apresentar alta eficiência (cerca de 90%) na conversão da energia química em energia térmica (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Os elementos químicos constituintes da madeira responsáveis pela liberação de calor são carbono (C), hidrogênio (H) e enxofre (S), Figura 3.1. A qualidade do combustível é dada pelos elementos carbono e hidrogênio. A fração incombustível, que não fornece calor durante a combustão, é resultado da presença de umidade, cinzas, oxigênio e nitrogênio (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Em termos gerais, as madeiras de coníferas são mais energéticas por apresentarem maior teor de carbono (50-53%) que as folhosas (47-50%), devido ao seu maior conteúdo de lignina e extrativos. Todas as espécies contêm em torno de 6% de hidrogênio. A porcentagem de oxigênio situa-se na faixa de 40 – 44%, a de enxofre menos que 0,1% e a de nitrogênio de 0,1 a 0,2%. A presença de grande concentração de oxigênio na madeira faz com que sua queima tenha menor demanda de oxigênio do ar, porém diminui a quantidade de energia

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Química da Madeira no Contexto Energético 

liberada na combustão, reduzindo seu teor energético (RAGLAND; AERTS;

s a z n i C

O 2 H

C

H

BAKER, 1991).

N

O

S

Figura 3.1 - Composição energética da madeira Fonte: Hilsdorf et al. (2004).

As cinzas são óxidos minerais formados durante a combustão, na qual os íons inorgânicos se oxidam e volatilizam ou formam partículas minerais de várias dimensões. Os compostos inorgânicos da madeira consistem na sua maioria de sais de cálcio, potássio e magnésio. Sais de outros elementos tais como sódio, fósforo, manganês, ferro, alumínio, cobre e zinco também podem estar presentes, porém em menor quantidade. Alguns sais são formados com grupos orgânicos ácidos das hemiceluloses da parede celular; nesse caso, ocorrem como carbonatos, fosfatos, sulfatos, silicatos e oxalatos (HILSDORF et al., 2004). O conteúdo dos compostos inorgânicos na madeira é altamente variado entre e dentro das espécies, bem como com o tipo de solo e a taxa de crescimento da espécie arbórea. O teor de cinzas de madeiras provenientes de espécies de clima temperado situa-se entre 0,1 – 1%, enquanto que nas de clima tropical pode chegar a 5%. As cinzas contêm, em média, 40 – 70% de óxidos de cálcio e 10 – 30% de óxido de potássio. Durante o processo de combustão, os íons inorgânicos se oxidam e volatilizam ou formam partículas minerais de vários tamanhos (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; RAGLAND; AERTS; BAKER, 1991; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). A presença do enxofre, apesar de ser combustível, é indesejável (HILSDORF et al., 2004). Sua combustão forma SO2 que, em condições atmosféricas, por meio de reação fotoquímica, oxida-se lentamente a SO3. Como este

composto

apresenta

grande

afinidade

pela

água,

se

transforma

gradativamente em ácido sulfúrico (H2SO4), de forte ação corrosiva e principal

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Química da Madeira no Contexto Energético 

responsável pela chuva ácida. O SO2 tem efeito altamente irritante ao aparelho respiratório e às conjuntivas oculares dos humanos e animais. A madeira é um combustível pouco poluente, pois apresenta baixo teor de enxofre e cinzas (MONTEIRO, 1992). Em altas temperaturas de combustão, na ordem de 1800°C, o nitrogênio do ar pode reagir para formar monóxido de nitrogênio (NO) que, em condições atmosféricas, sob ação de radiação solar, pode ser oxidado a dióxido de nitrogênio (NO2), o qual forma o ácido nítrico (HNO3), que contribui para a ocorrência de chuvas ácidas e poluição atmosférica (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). O NO2 é gás tóxico quando em altas concentrações e atua nas vias respiratórias induzindo a ocorrência de asma, bronquite, enfisema e câncer de pulmão. Contudo, a madeira contém um baixíssimo teor de nitrogênio, como já citado, o que contribui de modo pouco significante na poluição por óxido de nitrogênio (MONTEIRO, 1992). Quando a combustão se processa de maneira completa (estequiométrica), máxima energia térmica é gerada: o carbono da madeira é convertido em gás carbônico, o hidrogênio em água e o enxofre em dióxido de enxofre. O baixo teor de enxofre e cinzas da madeira evidencia que essa reação não gera compostos tão tóxicos aos seres humanos, ou que possam impactar significativamente o meio ambiente, visto que o carbono consumido na queima, para gerar gás carbônico, foi inicialmente armazenado pela árvore por meio da reação de fotossíntese (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Na Equação 1, tem-se um exemplo da combustão completa da madeira de eucaliptos com oxigênio do ar (O2 + 3,76 N2), com 30% de umidade (W) e composição elementar, na base úmida, de 34,30% de carbono (C), 4,11% de hidrogênio (H), 30,78% de oxigênio (O), 0,21% de nitrogênio (N), 0,007% de enxofre (S) e 0,504 % de cinzas (A). Além disso, supõe-se que o nitrogênio é inerte no processo e gera apenas gás N2 (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012).

28

Química da Madeira no Contexto Energético 

Equação 1: 2,86

4,11

1,92

→ 2,86

0,02 2,05

2,19. 10 2,19. 10

2,93

3,76

11,02

A combustão da madeira ocorre com emissão de grandes quantidades de voláteis, decorrente de uma etapa prévia de pirólise das macromoléculas (Figura 3.2), gerando produtos orgânicos de baixa massa molar (LORA; VENTURINI, 2012) passíveis de reagirem com o oxigênio do ar. Porém, se a queima for incompleta, uma grande variedade de óxidos de carbono pode ser gerada, entre eles se destaca o monóxido de carbono (CO), gás inodoro, incolor e altamente tóxico. O CO dificulta o transporte de oxigênio pela corrente sanguínea podendo ocasionar a morte por asfixia (MONTEIRO, 1992). Maiores detalhes a respeito das substancias potencialmente tóxicas presentes na fumaça da queima da madeira serão apresentados no capítulo referente à Combustão da Madeira.

Figura 3.2 - Estágios da combustão da madeira. Fonte: Hellwig (1982).

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Química da Madeira no Contexto Energético 

Os compostos de baixa massa molar gerados no processo de pirólise, os quais se encontram em fase gasosa, se misturam facilmente com o ar e reagem com o oxigênio promovendo assim a reação de combustão. Dessa forma, a queima da madeira ocorre em etapas consecutivas e bem nítidas, assim definidas (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009): 1. Aquecimento e Secagem: o pré-aquecimento da madeira fornece a energia de ativação para a ocorrência da combustão. Essa energia é consumida inicialmente na evaporação da água entre 60 a 100°C. As madeiras com altos teores de umidade, acima de 60% em peso (base úmida), apresentam dificuldades de queima e consomem grandes quantidades de energia nessa etapa de secagem, inviabilizando assim o processo de combustão (LORA; VENTURINI, 2012). 2. Emissão e queima dos voláteis: em temperaturas na faixa de 150 a 350 °C ocorre uma rápida degradação térmica (pirólise) dos polissacarídeos (polioses e celulose) com grande emissão de voláteis (fumaça). Como a madeira possui, em média, 70% de polissacarídeos, sob a ação do calor três quartos de seu peso são volatilizados na etapa da combustão (LORA; VENTURINI, 2012), Figuras 3.2 e 3.3. No início, ocorre a decomposição térmica das polioses e em temperaturas mais elevadas, da celulose. Os voláteis combustíveis quando misturados com o oxigênio do ar, em proporções adequadas, se tornam uma mistura inflamável e queimam produzindo chama e calor. O fogo normalmente é visível nesta fase. A combustão por meio de chama faz com que o calor seja transferido em espaço bastante amplo na região da queima (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Na faixa de 400 e 500°C, a maior parte da madeira já se volatilizou. Simultaneamente a essa baixa taxa de emissão de voláteis, observa-se maior quantidade de energia gerada decorrente principalmente da decomposição da lignina (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Esta, por sua natureza química entrecruzada, apresenta maior resistência à degradação térmica, sendo o componente mais estável da madeira. A lignina se degrada mais lentamente que os componentes

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Química da Madeira no Contexto Energético 

polissacarídeos, em ampla faixa de temperatura (de 200 a 500°C) e sem grandes reduções em sua massa residual. Mais de 50% da lignina permanecem como resíduo, mesmo em temperaturas de aquecimento até 500°C. As coníferas são termicamente mais estáveis que as folhosas e produzem maiores rendimentos em carvão (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981).

S O T U D O R P

1 . 3 0 . 2

O

2 . 7 1 . 5 H 9 . 4 3 . 3

C

2 O A S , , O2 O, H2 2 ,N 2 O C

S E T N E G A E R

oa ãt t e s ul bp mm oo CC

) A + W + S % + N % + O % + H % + C % (

l e v í t s u b m o C

2

)2 N 6 7 , 3 +

O (

r A

e s i l ó r i P O C 4 2H H C

C 0 0 8

0

COQU E

o ã ç a c i f i e s a G

2

YO . HXC O0 2 . VOLÁ TEIS OC 2 6 2 O H H2C H6 C

o ã ç a z i l i t a l o V

Figura 3.3 - Etapas da combustão completa de combustível sólido (madeira). Fonte: Cheremisinoff (1980); Coelho (1982); Tillman (1978) e Tillman, Rossi e Kitto (1981).

Os produtos da pirólise da lignina são principalmente alcatrão e resíduo de coque (carvão vegetal). O alcatrão é composto por hidrocarbonetos polifenólicos de cadeia longa (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). 3. Combustão do coque: com a extinção da chama dos voláteis, a madeira se torna massa sólida composta de carvão e cinzas (coque). Este resíduo é resistente à degradação térmica e sua combustão constitui a etapa de maior duração do processo (CHEREMISINOFF, 1980; LORA; VENTURINI, 2012;

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Química da Madeira no Contexto Energético 

TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). O coque é material rico em carbono, queima sem fazer fumaça (combustão incandescente) e, portanto, sem formação de chamas, de forma lenta e desprendendo bastante energia em pontos mais próximos da região de combustão. A queima do coque leva à obtenção

de

altas

intensidades

de

calor

em

pontos

específicos

(CHEREMISINOFF, 1980; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Um exemplo prático desse comportamento do coque é verificado em churrasqueiras na queima do carvão vegetal, o qual se mantém quente por bastante tempo. Dessa forma, no caso da cocção de alimentos, a queima mais lenta pode ser vantajosa, uma vez que os equipamentos térmicos (fogões) geralmente têm eficiência muito baixa (CHEREMISINOFF, 1980; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Nessa etapa, somente o coque permanece queimando acima de 600°C, podendo chegar a temperaturas da ordem de 1000°C. Adicionalmente, em temperaturas acima de 800 C verifica-se a ocorrência de gaseificação do coque, produzindo-se quantidades maiores de monóxido de carbono e hidrogênio, os quais queimam produzindo uma chama azul (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). A gaseificação é um processo de redução endotérmico que pode converter o coque em um gás combustível. Em temperaturas altas, o coque torna-se bastante reativo atuando como agente redutor. As reações químicas que ocorrem com o carbono do coque são apresentadas a seguir. Verifica-se que ocorre a transformação do carbono sólido em carbono gasoso. Simultaneamente, o alcatrão passa por craqueamento térmico gerando compostos de menor massa molar. Esse processo gera grandes quantidades dos gases combustíveis CO e H2, Figura 3.4, (CHEREMISINOFF, 1980; LORA; VENTURINI, 2012; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

C sólido CO → 2CO Redução do gás carbônico em monóxido de carbono

C sólido H O → CO

H

Redução de uma molécula de água

C sólido

2H O → CO

2H

Redução de duas moléculas de água

C sólido 2H → CH Reação com o hidrogênio gasoso

Figura 3.4 - Gaseificação do coque em temperaturas acima de 800°C. Fonte: Lora e Venturini (2012).

Se a reação de combustão for completa, ocorre a oxidação total dos produtos da gaseificação do coque e craqueamento do alcatrão (Equação 2), gerando no processo final de combustão, apenas gás carbônico e água. Equação 2: 1 CO 3

H

2 CH O → CO H O 3

A reação de combustão da madeira com o oxigênio do ar pode ser representada conforme a Figura 3.5 (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). , , , , , , í



,







ã

Figura 3.5 - Equação geral da combustão da madeira em ar atmosférico.

O combustível (madeira) é composto quimicamente por carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), baixas concentrações de enxofre (S) e nitrogênio (N), cinzas (A) e umidade (W). O ar de combustão é definido pela mistura binária simples de oxigênio e nitrogênio na proporção de 21% de O2 para 79% de N2, ou seja, 1 O2:3,76 N2, resultado da razão de 79 por 21.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

A parcela I da equação de combustão representa os produtos da combustão completa. O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão quando todo o carbono (C) no combustível reage com oxigênio (O2) para formar gás carbônico (CO2), todo o hidrogênio (H) para formar água (H2O) e todo enxofre (S) para formar dióxido de enxofre (SO2). Como o conteúdo de enxofre da madeira é sempre baixo, a porcentagem de dióxido de enxofre é quase desprezível. Considera-se também, para efeito de cálculo, que todo o nitrogênio (N) presente na madeira apareça nos produtos de combustão como nitrogênio gasoso (N2), conforme asseveram Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012). A combustão estequiométrica ou teórica se refere à queima de um combustível quando se fornece exatamente a quantidade de ar necessária para a combustão completa, calculada a partir das necessidades dos elementos que o compõem. Na prática, é sempre preciso fornecer um volume ou massa de ar maior (ar em excesso) que o teoricamente necessário para se conseguir a combustão completa do combustível. Isso se deve à grande dificuldade de se garantir adequada mistura do ar com a madeira. Adicionalmente, limitações práticas como o tempo de residência, a granulometria da madeira na fornalha, bem como a não homogeneidade da temperatura e da concentração de oxigênio, tornam a tentativa de queima do combustível inviável se utilizada apenas a quantidade de ar estequiométrica, conduzindo a uma combustão incompleta (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). A parcela II da equação de combustão representa o ar em excesso (N2 e O2) e, eventualmente, a umidade do combustível (W) e do ar. A parcela III representa os produtos da combustão incompleta. São numerosos os compostos que podem ser gerados a partir dos compostos combustíveis, como hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos (CO, H2, CH4, CxHy), compostos oxigenados (CxHyOz), partículas sólidas como fuligem, alcatrões etc (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). A presença de monóxido de carbono e compostos orgânicos voláteis é um indicativo de queima incompleta. A formação de CO é causada pela combustão

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Química da Madeira no Contexto Energético 

incompleta de átomos de carbono, enquanto a presença de compostos orgânicos voláteis indica a degradação térmica incompleta dos polissacarídeos e da lignina, ou seja, dos componentes macromoleculares. Na Tabela 3.1 são apresentados os principais compostos encontrados na fumaça da queima de madeira em um fogão a lenha (Air Quality Wood Cookingstove, 2013). A combustão do carbono ocorre em duas etapas consecutivas, em que o carbono é inicialmente oxidado a monóxido de carbono para, em seguida, ser convertido a CO2. Nessa última etapa, é liberada a maior quantidade da energia armazenada no carbono. Em decorrência desse fato, a combustão completa da madeira gera a maior quantidade de energia térmica na forma de calor. Tabela 3.1 - Compostos encontrados na fumaça da queima da madeira. Componentes

Fator de Emissão (g/kg de madeira seca)

Ácido acético (C2H4O2)

1,8 – 2,4

Acetaldeído (C2H4O)

0,03 – 0,6

Acroleína (C3H4O)

0,02 – 0,1

Aerossol

7 – 30

Benzeno (C6H6)

0,6 – 4,0

Fuligem (carbono puro)

0,3 – 5,0

Metano (CH4)

14 – 25

Monóxido de Carbono (CO)

80 – 370

Formaldeído (CH2O)

0,1 – 0,7

Naftaleno (C10H8)

1,6 – 2,4

Óxido de Nitrogênio (NOx)

0,2 – 0,9

Carbono orgânico

2 – 22

Dióxido de Enxofre (SO2)

0,16 – 0,24

Tolueno

0,15 – 1,0

Compostos orgânicos voláteis

7 – 27

Xileno

< 0,01 Fonte: Air Quality Wood Cookingstove (2013).

A madeira é composta também por lignina, macromolécula de natureza polifenólica e entrecruzada. Se, durante o processo de combustão, a lignina e os extrativos aromáticos forem incompletamente oxidados, os mesmos podem ser

35

Química da Madeira no Contexto Energético 

parcialmente degradados, gerando produtos que, em geral, apresentam dois ou três anéis aromáticos em sua composição, como as emissões detectadas de dioxinas e furanos na queima da madeira. Por fim, a parcela IV representa a fração mineral não combustível (cinzas, A) da madeira. A composição elementar da madeira é o conteúdo em porcentagem de massa de carbono (% C), hidrogênio (% H), enxofre (% S), oxigênio (% O), nitrogênio (% N), umidade (% W) e cinzas (% A). Por meio da composição elementar do combustível, pode-se calcular o volume e massa dos gases gerados na combustão bem como o poder calorífico do combustível. Os dados da composição elementar da madeira podem ser expressos na base de trabalho, na base seca e na base combustível (Tabela 3.2). A base de trabalho, também chamada base úmida, reflete a composição elementar da madeira na forma como ela é queimada (as fired), estando presente assim seu teor de umidade e de cinzas. Desta forma, a equação de combustão deve ser apresentada com os dados na base de trabalho (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). Tabela 3.2 - Composição Elementar da madeira em diferentes bases. Bases

Composição elementar da madeira

Base de trabalho

Ct+Ht+Ot+Nt+St+At+Wt = 100%

Base seca

Cs + Hs + Os + Ns + Ss + As = 100%

Base combustível

Cc+Hc+Oc+Nc+Sc = 100%

t: base de trabalho; s: base seca; c: base combustível

Fonte: Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012).

A composição elementar na base seca não apresenta o teor de umidade do combustível. Na literatura técnica, geralmente os dados são apresentados nesta base para torná-los de aplicação geral, independentemente da umidade. A base combustível considera apenas os principais componentes a serem oxidados, sem umidade (W) e sem cinzas (A), segundo Cortez, Lora e Gómez, (2009) e Lora e Venturini (2012).

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Química da Madeira no Contexto Energético 

É possível passar de uma base a outra por meio de fatores de conversão expressos na Tabela 3.3, na qual se encontram as expressões para o cálculo da composição elementar na passagem entre as bases (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012).

Tabela 3.3 - Conversões entre bases para a composição elementar do combustível. Base que se tem

Base que se deseja obter

como dado

(fator de conversão)

Trabalho Seca Combustível

1

100 / (100 – Wt)

100 / (100 – Wt – At)

(100 – Wt) / 100

1

100 / (100 – As)

(100 – Wt – At) / 100

(100 – As) / 100

1

t: base de trabalho; s: base seca; c: base combustível, A: cinzas e W: teor de umidade

Fonte: Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012).

Um exemplo prático dos conceitos aqui apresentados seria a estimativa do poder calorífico do combustível e da relação ar combustível (A/C) em massa (kg/kg) e em volume (m3/kg) bem como a quantificação dos gases gerados, com excesso de ar para a realização de combustão completa, por meio da equação química de combustão balanceada para uma dada espécie de madeira (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). A Tabela 3.4 ilustra a composição elementar na base seca de 100 kg de madeira de eucalipto, utilizando como exemplo de combustão completa no ar e 30% de teor de umidade. Em função de sua grande plasticidade ambiental, altos índices de produtividade e características energéticas (densidade da madeira e poder calorífico) o gênero Eucalyptus é o mais utilizado para a implantação de florestas com fins energéticos no Brasil. Serão utilizados dados provenientes da literatura especializada para a composição elementar do combustível e equações de regressão para a determinação do poder calorífico. A unidade de volume usada será o Nm3, ou seja, nas Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), sendo a temperatura 0°C e pressão 1 atm. A unidade de medida de massa será o quilograma e a massa molar em kg/kmol do elemento químico em

37

Química da Madeira no Contexto Energético 

questão. Para os elementos químicos serão consideradas as seguintes massas atômicas (em kg/kmol): H=1, C=12, O=16, N=14 e S=32. Dessa forma, a molécula de água tem 18 kg/kmol de massa molecular (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). Inicialmente, deve-se converter a composição elementar da base seca para a base de trabalho. O seu fator de conversão será de: (100 – 30)/100 = 0,7. Multiplicando-se os valores do teor de cada elemento (coluna intitulada base seca) por 0,7 obtêm-se os valores da coluna base de trabalho apresentados na Tabela 3.4. Quando um combustível contém cinzas ou umidade, as mesmas podem ser tratadas como constituintes inertes para aparecerem como tais nos produtos finais da reação de combustão. Esses princípios utilizados podem ser aplicados com igual facilidade a todos os combustíveis. Para montar e balancear a reação de combustão é necessário se determinar a massa de cada constituinte, em kg, para 100 kg de combustível. Assim, se calcula o kmol de cada elemento por meio do valor da massa atômica (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). Tabela 3.4 - Composição elementar na base seca e de trabalho. Composição elementar

Base seca (%)

Base de trabalho (%)

%C

49

34,30

%H

5,87

4,11

%O

43,97

30,78

%N

0,3

0,21

%S

0,01

0,007

%A

0,72

0,504

%W



30

Fonte: Cortez,| Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012).

Dessa forma, em 100 kg de madeira de eucaliptos tem-se (Tabela 3.5):



38

Química da Madeira no Contexto Energético 

Tabela 3.5-Cálculo das massas molares. Cálculo da massa molar de cada elemento em kg/kmol Ct = 34,30 kg ÷12 = 34,30/12 kmol de carbono Ht = 4,11 kg ÷1 = 4,11 kmol de hidrogênio Ot = 30,78 kg ÷16 = 1,92375 kmol de oxigênio Nt = 0,21 kg ÷14 = 0,015 kmol de nitrogênio St = 0,007 kg ÷32 = 0,007/32 kmol de enxofre At = 0,504 kg de cinzas Wt = 30 kg ÷18 = 30/18 kmol de água

A equação química de combustão completa balanceada para o eucalipto está apresentada na Figura 3.6. Então, é possível estimar a relação ar/combustível e quantificar os gases gerados (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). 34,30⁄12 C

0,015 N 0,007⁄32 S í

4,11 H 1,92375 O 100

30⁄18 H2 O

A

+ 2,93 O2

3,76 N2 é

↓ 34,30⁄12 CO2 4,11⁄2 H2 O

0,007⁄32 SO2 30⁄18 H2 O ã

A

11,02 N2

Figura 3.6 - Combustão completa da madeira de eucalipto.

Para se calcular a relação ar/combustível em massa são necessários os valores da proporção em massa estequiométrica de cada parcela da equação. Tais dados são indicados na Figura 3.7 (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012).



39

Química da Madeira no Contexto Energético 

34,30⁄12 C

4,11 H 1,92375 O 100

0,015 N 0,007⁄32 S í

30⁄18 H2 O

A

+ 2,93 O2 3,76 N2 402,2304

↓ 34,30⁄12 CO2 4,11⁄2 H2 O 0,007⁄32 SO2 30⁄18 H2 O A 11,02 N2 125,77 36, 99 0,014 30 0,504 308,56

Figura 3.7 - Proporção mássica dos componentes da equação balanceada.

3.1. Cálculo do consumo de ar atmosférico na combustão completa Em seguida apresenta-se o cálculo da relação ar/combustível teórico (A/C teórico) e com 20% de excesso de ar em massa (HILSDORF et al., 2004) da madeira de eucalipto. A massa de ar teórica ou estequiométrica é a quantidade de ar teoricamente necessária para a combustão completa de 1 kg do combustível. A massa de ar real (A/C real) é a quantidade de ar necessária nos sistemas reais para a combustão completa da madeira (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012).

A⁄C teórico

A⁄C real

402,2304 100

402,2304 100





í

≅ 4,02

20% 402,2304 í



≅ 4,83



Para o cálculo da relação ar/combustível em volume é necessário o valor da densidade (ρ) para o gás em questão. Sendo Rgás a constante dos gases perfeitos, a densidade de um gás em condição de referência, ou seja, à pressão p (101325 Pa = 1 atm) e à temperatura T (273,15 K = 0 C), é dada pela Equação 3.



40

Química da Madeira no Contexto Energético 

Equação 3:

∙ Assim: 101325 ≅ 1,2925 287 ∙ 273,15



CNTP

Os valores de ar/combustível teórico e real (20% de excesso de ar) em volume são dados pelas Equações 4 e 5 seguintes, nas quais se utiliza a densidade como fator de conversão de massa para volume. Equação 4: ,



,

A⁄C teórico

100









/



≅ 3,11

í



Equação 5: ,

A⁄C real





,

100





%

,

/



í



≅ 3,73

3.2. Cálculo da composição dos produtos da combustão No caso da combustão completa com excesso de ar, a composição dos principais produtos da combustão da madeira será gás carbônico, dióxido de enxofre, água, nitrogênio e oxigênio. Nesses produtos o oxigênio do ar aparece em excesso (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; HILSDORF et al., 2004; LORA; VENTURINI, 2012).



41

Química da Madeira no Contexto Energético 

a) Cálculo do volume de CO2 gerado na combustão completa de um quilograma de combustível A emissão do gás carbônico depende do teor de carbono no combustível (HILSDORF et al., 2004). Equação 6:

ρ

ã





CO



Assim: 101325

ρ



44

8314



.

/ 273,15

≅ 1,9632





Com isso: V

,

100





,





/

í



≅ 0,64

b) Cálculo do volume de vapor de água no produto da combustão.

b1) Volume do vapor de água no produto da combustão devido à queima do hidrogênio. Equação 7:

ρ



ã



42



H O



Química da Madeira no Contexto Energético 

Assim: ρ

101325



18

8314



.

/ 273,15

≅ 0,8031





Com isso: ,

V

,

100





/



í

≅ 0,46



b2) O vapor de água também aparece nos produtos da combustão devido à umidade presente na madeira. Nesse caso:

V

,

100







/

í

≅ 0,37



b3) Quantidade de vapor de água no ar atmosférico usado na combustão. A quantidade de água no ar pode ser calculada a partir da umidade relativa do ar. Em geral, a umidade relativa do ar varia, uma vez que depende do teor de água no ar e da temperatura do ar. Em cálculos de combustão admite-se que o ar utilizado na queima do combustível tem umidade relativa média de 70%. Nessas condições, um quilograma de ar contém em torno de dez gramas de água. Assim, o teor de água no ar equivale a 0,01 kg de vapor d’água em um quilograma de ar (0,01 kg de H2O/kg de ar).

Equação 8: ⁄



43

Química da Madeira no Contexto Energético 

Tem-se que: 0,01 ⁄

⁄ 1,2925 ⁄ 0,8031





≅ 0,0161

Dessa forma, o volume de vapor de água contido em um metro cúbico de ar em condições de referência será a multiplicação do valor de 0,0161 pelo valor do volume de ar utilizado na combustão (teórico e real) da madeira. Então, se obtém o volume do vapor de água do ar no produto da combustão, referente a um quilograma do combustível. Agora, basta multiplicar o valor de 0,0161 pelo valor do volume de ar utilizado na combustão (teórico e real) da madeira para se obter o volume do vapor de água do ar no produto da combustão, referente a um quilograma do combustível. Como o A/C teórico é aproximadamente 3,11 Nm3/kgcb, tem-se que:



3,11







0,0161



≅ 0,05

Por fim, se A/C real é aproximadamente 3,73 Nm3/kgcb, tem-se que:



3,73







0,0161



≅ 0,06

Devido ao seu valor pequeno, normalmente a diferença devido à umidade do ar é desprezível. Então, o volume total do vapor de água nos produtos da combustão será determinado pela soma da Equação 9:

Equação 9:







ê







44













ã

Química da Madeira no Contexto Energético 

Portanto: ⁄

0,46





0,37



≅ 0,89





0,06

c) Cálculo do volume de dióxido de enxofre no produto da combustão Equação 10:

ρ

ã





SO



Assim: 101325

ρ



64

8314

.



/ 273,15

≅ 2,8556





Com isso: ,



,

V

100





/



≅ 4,9

í

10



Ademais, observe-se que a emissão de SO2 depende do teor de enxofre do combustível.

d) Cálculo do Volume de nitrogênio no produto da combustão O nitrogênio (N2) será considerado como gás inerte, não participando assim da reação de combustão. O nitrogênio está presente no combustível e no ar. A massa molecular do nitrogênio é 28 kg/kmol. A porcentagem do nitrogênio no ar igual a 79%. Como o A/C teórico é aproximadamente 3,11 Nm3/kgcb, tem-se que: ⁄

3,11







45

0,79 ≅ 2,46



Química da Madeira no Contexto Energético 

Por fim, se A/C real é aproximadamente 3,73 Nm3/kgcb, tem-se que: ⁄

3,73







0,79 ≅ 2,95

e) Cálculo de oxigênio no produto da combustão O volume de oxigênio aparece nos produtos de combustão devido ao excesso de ar usado. A porcentagem volumétrica do oxigênio no ar é de 21%. Equação 11:



/



/ ó

Com isso:





3,73





3,11



0,62



Por fim, tem-se que:



0,62







0,21 ≅ 0,13

3.3. Volume total dos gases da combustão O volume total dos produtos da combustão completa da madeira de eucalipto é calculado como a soma dos volumes dos gases secos mais o volume dos vapores de água, de acordo com a Equação 12. Equação 12: V

V

V

10



V

V V

Portanto: V

0,64

4,9

0,89



46

2,95

0,13

4,61



Química da Madeira no Contexto Energético 

3.4. Poder calorífico do combustível O poder calorífico (PC) é definido como a quantidade de calor liberada na combustão completa de uma unidade de massa do combustível, expresso usualmente em kJ/kg, MJ/kg e kcal/kg. Seu conhecimento permite avaliar o poder energético do combustível (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). O poder calorífico pode ser superior (PCS), inferior (PCI) ou líquido (PCU). O valor quantitativo do PC varia muito com o teor de umidade do combustível. O conceito de PCS considera o vapor de água presente nos gases de combustão e o PCU admite que parte da energia liberada na queima da madeira é consumida na evaporação da umidade do combustível e da água proveniente da queima do hidrogênio da madeira (PCI). A diferença principal entre PCS e PCU é a energia térmica requerida para evaporar a água presente na madeira e formada na reação de combustão (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). O PCU corresponde ao PCS deduzido do calor necessário para vaporizar a umidade própria do combustível, mais a umidade resultante da combustão do hidrogênio. Portanto, o PCU corresponde à quantidade de calor útil liberado na combustão, variando com o teor de umidade da madeira (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). A Tabela 3.6 indica a variação do PCU conforme a umidade. Tabela 3.6 - Variação do PCU com o teor de umidade, sendo PCS=5083 kcal/kg. Teor de umidade (%)

PCU (kcal/kg)

0

4756

10

4221

20

3687

30

3153

40

2620

50

2085

60

1551

70

1016 Fonte: Coelho (1982).



47

Química da Madeira no Contexto Energético 

Pelos valores de PCU apresentados na Tabela 3.6, observa-se que a queima de madeira úmida gera menos energia. Para que a combustão ocorra em condição adequada, a madeira deve ser utilizada com teores de umidade abaixo de 25%. A determinação do teor de umidade deve ser feita na base úmida, ou seja, pela razão percentual entre a massa de água contida na madeira pela massa inicial antes da secagem (massa úmida). O teor de umidade da madeira depende de seu histórico. Toras de madeira secas ao ar possuem teor de umidade na faixa de 40 – 55%, enquanto que madeira seca em secadores, por meio de processos térmicos, pode alcançar valores de 8 – 12%, conforme Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012). O PCS corresponde à totalidade do calor liberado na combustão, sendo um valor teórico que varia com a composição química da madeira. Em espécies de madeira distintas, o PCS varia menos que 15%, i.e., PCSconíferas ≈ 20 – 22 MJ/kg e PCSfolhosas ≈ 19 – 21 MJ/kg. Tipicamente, as coníferas apresentam mais extrativos e lignina que as folhosas, o que contribui para um valor de PCS levemente maior (CHEREMISINOFF, 1980; COELHO, 1982; TILLMAN, 1978; TILLMAN; ROSSI; KITTO, 1981). Existem várias equações que permitem calcular o PC a partir de dados da composição elementar do combustível. A equação desenvolvida pela Agência Internacional de Energia fornece uma boa estimativa do PCS em MJ/kg, combustível na base seca, com um erro em média 1,8% menor que o valor obtido em calorímetro. O calorímetro, ou bomba calorimétrica, consiste no equipamento para determinar o calor de combustão de compostos orgânicos podendo, assim, ser utilizado para determinar o Poder Calorífico dos combustíveis (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). Equação 13: 0,3491

1,1783

0,1005



48

0,0151

0,1034

0,211

Química da Madeira no Contexto Energético 

Equação 14:

%

í

100

çã



ã

í

O exemplo seguinte realiza esse cálculo para o eucalipto, cujos dados a respeito de sua composição elementar, na base seca, já foram apresentadas no exemplo acima. A literatura especializada fornece o valor de 19,42 MJ/kg para o PCS medido em calorímetro (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). Assim, tem-se: 0,3491

49 0,1034

1,1783

5,87

43,97

0,1005

0,211

0,01

0,0151

0,72 ≅ 19,46

0,3



Por fim, ainda verifica-se o erro: %

19,42 19,46 ≅ 0,21% 19,42

100

A estimativa do valor do PCU, por meio da composição elementar na base de trabalho, pode ser feita pela fórmula desenvolvida por Mendeliev, em kJ/kg, a um determinado teor de umidade do combustível, como consta na equação. Em seguida é apresentado um exemplo de aplicação para o eucalipto com 30% de umidade, segundo apontam Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012). Equação 15: 339

1030

109



24

30,78

0,007

Assim, tem-se que: 339

34,30

1030

4,11



49

109

24

30

Química da Madeira no Contexto Energético 

≅ 11.786,74





≅ 11,79

O teor de voláteis de madeiras secas em combustão se encontra na faixa de 70 – 90%, dependendo da espécie arbórea. Em madeiras secas (Tabela 3.7), os voláteis da combustão são compostos por: hidrocarbonetos leves, alcatrão, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e vapores de água. A quantidade gerada de cada tipo depende da temperatura e da taxa em que ocorre a pirólise. O alcatrão tem uma composição química média de C6H6.2O0.2 e os hidrocarbonetos leves são compostos principalmente por metano. Assume-se que o coque seja constituído por carbono puro, com PCS médio de 32,8 MJ/kg e os voláteis de 16,2 MJ/kg. Pode-se considerar que o hidrogênio reage instantaneamente na temperatura de combustão. Se houver um suprimento adequado de oxigênio, todo carbono do combustível se converte a CO2. Os hidrocarbonetos de cadeias longas e cíclicos (alcatrão), bem como os hidrocarbonetos leves, reagem para formar hidrogênio e monóxido de carbono, Equação 16 (RAGLAND; AERTS; BAKER, 1991). Equação 16: C H

0,5 nO → 0,5 mH

nCO

Tabela 3.7 - Distribuição e quantificação dos produtos da pirólise da madeira seca em situação de combustão e respectivo valor calórico dos componentes energéticos. Produtos da pirólise

Quantidade (g/kg)

%

PCS (MJ/kg)

H2O

250

25



CO

183

18,3

10,9

CO2

115

11,5



H2

5

0,5

141,9

Hidrocarbonetos leves (CxHy; x≤4)

47

4,7

41

Alcatrão

200

20

41

Coque (carvão vegetal)

200

20

32,8

Fonte: Ragland, Aerts e Baker (1991).



50

Química da Madeira no Contexto Energético 

Se a combustão for completa, o coque reage com oxigênio formando dióxido de carbono e água. A oxidação do coque é a reação dominante de combustão, uma vez que a sua queima é muito mais lenta que a dos voláteis (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012). A análise química imediata permite determinar as frações percentuais de umidade, cinzas, voláteis (V) e carbono fixo (CF) em uma amostra de combustível. Em um processo de combustão comum, à pressão atmosférica, os teores de voláteis e carbono fixo, produzidos pela madeira, são bastante próximos do resultado obtido pela análise imediata. O percentual de carbono fixo refere-se à fração de carvão (coque) que se queima no estado sólido. Por possuir um elevado teor de voláteis (65 – 83%), a madeira tipicamente possui uma relação V/CF maior que quatro, enquanto o carvão vegetal, por apresentar um alto teor de carbono fixo (Tabela 3.8), é sempre menor que um. A proporção entre os componentes voláteis e carbono fixo influencia as características de queima do combustível sólido. Os componentes voláteis queimam rapidamente, formando chama, ao passo que o carbono fixo queima de maneira lenta com combustão incandescente (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009; LORA; VENTURINI, 2012; RENDEIRO et al., 2008). O poder calorífico superior (PCS) pode ser estimado utilizando os dados da Análise Imediata na base seca por meio da Equação 17 proposta por Parikh, Channiwala e Ghosal (2005). Equação 17: PCS MJ/kg

0,3536



0,1559

0,0078

O cálculo do PCS para a espécie Eucalyptus sp (Tabela 3.8) seria: PCS MJ/kg

0,3536

17,82 PCS

0,1559

19,00 MJ/kg



51

81,42

0,0078

0,76

Química da Madeira no Contexto Energético 

Lembrando que o PCS medido em calorímetro é de 19,42 MJ/kg, segundo Cortez, Lora e Gómez (2009) e Lora e Venturini (2012) , verificou-se o erro (Equação 14): %

100

19,42 19,00 19,42

2,2%

Tabela 3.8 - Análise Imediata da madeira e carvão, razão V/CF, PCS de algumas espécies florestais madeireiras da Amazônia e de floresta plantada (eucalipto), base seca. Tipo de madeira e carvão

V

CF

A

V/CF

PCS

(%)

(%)

(%)

Andiroba (Carapa guianensis)

89,9

10,1

0

8,9

19,76

Cedro (Cedrella fissilis)

84,6

15,3

0,1

5,5

20,21

Copaíba (Copaifera sp.)

90,9

9,1

0,1

10,0

19,91

Jatobá (Hymenaea sp.)

79,6

20

0,4

4,0

19,41

Maçaranduba (Manilkara sp.)

82,4

17,4

0,2

4,7

20,11

Mogno (Swetenia macrophylla)

78,4

19,7

1,8

4,0

19,85

Sucupira (Bowdichia sp.)

82,8

16,7

1,7

5,0

20,20

Eucalyptus sp.

81,42

17,82

0,76

4,6

19,42

Carvão de Eucalyptus benthamii

15,1

83,6

1,3

0,2

34,26

Carvão de Corymbia citriodora

17,3

81,1

1,6

0,2

33,84

Carvão de Eucalyptus dunni

15,5

82,2

2,3

0,2

29,01

Carvão de Eucalyptus grandis

18,7

80,7

0,6

0,2

27,72

(MJ/kg)

Fonte: Cortez, Lora e Gómez (2009); EMBRAPA (2006) e Rendeiro et al. (2008).



52

Química da Madeira no Contexto Energético 

Capítulo 4 NOÇÕES GERAIS SOBRE FOGÕES A LENHA Cerca de três bilhões de pessoas no mundo dependem da biomassa de origem vegetal para cocção de alimentos e aquecimento. Ao redor de 50 a 60% desse montante utilizam a madeira, frequentemente dentro de casa, com pouca ventilação, se sujeitando à exposição de altas concentrações de fumaça provenientes dos fogões. Este fator causa grande impacto na saúde, em especial das mulheres e seus filhos pequenos. A fumaça da queima da lenha contém centenas de sustâncias, incluindo monóxido de carbono, dioxinas e furanos, os compostos mais tóxicos conhecidos pela ciência (NORTHCROSS et al., 2012; TOLMASQUIM, 2003). A obtenção de energia da biomassa para cocção de alimentos é realizada tradicionalmente por meio da queima direta (combustão) da lenha ou, em menor escala, do carvão vegetal, em equipamentos térmicos denominados de “fogões a lenha”. A eficiência desses fogões, que pode variar de 2% a 36%, depende da conversão da energia da lenha em calor, da tecnologia e do tipo de construção utilizados (NOGUEIRA; LORA, 2003; REGUEIRA, 2010). A Tabela 4.1 apresenta dados mundiais de eficiência registrada em diferentes tipos de fogões (Figura 4.1) para cocção de alimentos em uso comercial.

Tabela 4.1 - Dados de eficiência de diferentes modelos de fogões a lenha ou carvão vegetal. Tipo de fogão

Eficiência (%)

Três pedras (A)

5 – 15

Pesado com chaminé (B)

15 – 23

Sem chaminé para uma panela (D)

30 – 35

Sem chaminé para duas panelas (E)

18 – 22

Compacto para serragem (H)

15/32 – 36

Fogão a gás

57

Fogão elétrico

50



53

Química da Madeira no Contexto Energético 

Figura 4.1 - Diferentes tipos de fogões. Fonte: Nogueira e Lora (2003) e Regueira (2010).

A Tabela 4.1 e Figura 4.1 indicam os fogões: a) A: de três pedras; b) B: pesado com chaminé; c) C: leve com chaminé; d) D: sem chaminé para uma panela; e) E: sem chaminé para duas panelas; f) F: metálico para carvão vegetal; g) G: cerâmico para carvão vegetal h) H: compacto para serragem. Segundo Goldemberg e Villanueva (2003), o problema básico do emprego de lenha para cozinhar é a baixa eficiência energética dos equipamentos térmicos tradicionais que convertem apenas cerca de 10% da energia contida na lenha em energia útil para a cocção. É o caso do fogão de três pedras, amplamente usado pela população rural pobre nos países em desenvolvimento, pois seu custo é quase nulo e, além disso, fornece luz e calor, repele insetos e cria um local de encontro social. Conforme a renda cresce, o usuário muda de tipo de fogão, indo do primitivo (o qual utiliza como combustível esterco ou resíduos agrícolas) para metálico (madeira ou carvão vegetal) ou o fogão com isolamento térmico e, por fim, para fogões a gás e elétricos. Ao subir nessa escala, a redução da poluição é consideravelmente grande, uma vez que um fogão a gás tradicional emite 50 vezes menos poluente e é cinco vezes mais eficiente do que um primitivo.

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Química da Madeira no Contexto Energético 

Bermann (2002) indica que a utilização da lenha e carvão vegetal para cocção de alimentos, em domicílios brasileiros, é insustentável energeticamente. Dados de 1999 indicam que cerca de 6.500 domicílios deveriam ter acesso a uma fonte energética mais segura e eficiente, representada pelo GLP (gás de cozinha). Estimando-se que um botijão de gás, de 13 kg, supra a necessidade energética mensal da família, correspondendo ao consumo de 0,283 m3/ano. Com estes números, a carência no atendimento de gás liquefeito de petróleo (GLP) corresponde a 5,04 mil m3/dia. Dessa demanda, 70% são provenientes de domicílios localizados na zona rural, o que equivale a uma necessidade de 3,53 m3/dia. O atual parque brasileiro de refino não tem condições de suprir essa demanda, pois o país importa 14,1 mil m3/dia de GLP para satisfazer o consumo atual. Segundo dados do Balanço Energético Nacional – BEM (2013), Figura 4.2, a lenha tem uma participação significativa (6,5%) no consumo final de energia por fonte. No setor residencial a madeira é utilizada principalmente na cocção de alimentos e, em menor escala, nas regiões de clima temperado, no aquecimento domiciliar (ROSILLO-CALLE; BAJAY; ROTHMAN, 2005; SEIXAS; COUTO; RUMMER, 2006). No contexto de consumo de energia térmica pelas famílias, a lenha tem participação de 27,2%, equivalente ao do gás liquefeito de petróleo: 26,9% (GARCIA, 2002). Segundo Brito (2007) o GLP vem sendo o substituto natural na maioria das residências urbanas e para o qual, ao contrário da madeira, políticas oficiais de incentivos sempre se fizeram presentes.

Consumo final de energia por fonte

Consumo de energia pelas famílias brasileiras

Figura 4.2 - Consumo de energia por fonte e pelas famílias. Fonte - BEN (2013).

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A obtenção de energia da biomassa é realizada tradicionalmente por meio da queima direta (combustão) da lenha ou em menor escala do carvão vegetal, em equipamentos térmicos denominados de “fogões a lenha”. A eficiência desses fogões, que pode variar de 5% a 30%, depende da taxa de conversão da energia da lenha em calor, da tecnologia e do tipo de construção do equipamento, (NOGUEIRA; LORA, 2003). Adicionalmente, é necessário um excesso de ar entre 110 – 130% para que a combustão se processe de forma completa. Como fogões a lenha não operam com excesso de ar, a consequência imediata é a ocorrência constante de combustão incompleta (LORA; VENTURINI, 2012). Como citado, a combustão incompleta da madeira produz muitas emissões tóxicas na atmosfera ou no ambiente em que o fogão está instalado. Os compostos mais usualmente gerados (Tabela 4.1) compreendem materiais particulados (aerossóis 7 – 30 g/kg), fuligem (0,3 – 5 g/kg), compostos orgânicos voláteis de natureza aromática (7 – 27 g/kg) e ácida (1,8 – 2,4 g/kg), monóxido de carbono (80 – 370 g/kg) e resíduos minerais. Os hidrocarbonetos simples (de 1 a 7 átomos de carbono em condições de temperatura ambiente) são gases ou apresentam grande volatilidade. Compostos orgânicos complexos, com teores de carbono acima de 7, apresentam baixa volatilidade e tendem a se condensar na temperatura ambiente. A Tabela 4.2 fornece os sintomas resultantes da exposição humana aos poluentes provenientes da queima da madeira e os seus níveis recomendados pela Organização Mundial da Saúde, OMS (GOLDEMBERG; VILLANUEVA, 2003). O composto orgânico volátil mais comum formado na queima incompleta da madeira é o metano (CH4: 14 – 25 g/kg). Outro poluente bastante significativo é o monóxido de carbono. O CO, forte indicativo de combustão incompleta, é altamente tóxico e de grande impacto na saúde do usuário de fogões a lenha. Nos compostos orgânicos voláteis de natureza aromática se encontram benzeno, tolueno e xileno e os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (semi-voláteis). A quantidade desses poluentes varia, dependendo da espécie de madeira queimada,



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da temperatura de combustão, do design do fogão e da quantidade de oxigênio consumido na combustão (AIR QUALITY WOOD COOKINGSTOVE, 2013).

Tabela 4.2 - Nível máximo recomendado pela OMS e efeitos na saúde humana de alguns compostos tóxicos presentes no ar de combustão. Poluente Sintomas Nível máximo Irritação respiratória, falta de ar, aumento da SO2

125 µg/m3 (24 h)

susceptibilidade a infecções, doenças

50 µg/m3 (1 ano)

crônicas do pulmão e fibrose pulmonar Matéria particulada respirável Óxidos de Nitrogênio

Irritação, defesa imunológica alterada,

Efeito depende das

toxidade sistemática, função pulmonar

propriedades biológicas

diminuída e estresse do coração

e químicas das partículas

Irritação dos olhos e do nariz, doenças do

Para NO2:

trato respiratório, danos ao pulmão, função

200 µg/m3 (1 hora)

pulmonar diminuída e estresse do coração

40 µg/m3 (1 ano)

Interfere no oxigênio do sangue. Pode CO

resultar em danos ao coração e ao cérebro,

30.000 µg/m3 (1 h)

percepção prejudicada, asfixia ou, em doses

10.000 µg/m3 (8 h)

menores, fraqueza, dores de cabeça e náusea Irritação respiratória, falta de ar, aumento da SO2

125 µg/m3 (24 h)

susceptibilidade às infecções, doenças

50 µg/m3 (1 ano)

crônicas do pulmão e fibrose pulmonar Matéria particulada respirável

Irritação, defesa imunológica alterada,

Efeito depende das

toxidade sistemática, função pulmonar

propriedades biológicas

diminuída e estresse do coração

e químicas das partículas

Fonte: Goldemberg e Villanueva (2003).

O metano (CH4) é gerado na reação de descarboxilação do ácido acético (CH3COOH) e acetaldeído (CH3CHO): CH3COOH → CH4 + CO2 e CH3CHO → CH4 + CO. As fontes dessas substâncias são a celulose, hemiceluloses e a lignina. A degradação térmica das macromoléculas pode gerar também compostos de maior massa molar que o metano, tais como etano, etino, benzeno e etano. Os efeitos desses compostos na saúde humana dependem do tempo de exposição e da concentração, podendo causar desde irritação e náuseas até danos

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no

fígado

e

sistema

nervoso

central

(AIR

QUALITY

WOOD

COOKINGSTOVE, 2013). O benzeno, xileno e tolueno são classificados como compostos orgânicos aromáticos voláteis (AIR QUALITY WOOD COOKINGSTOVE, 2013). Dos compostos orgânicos aromáticos voláteis na fumaça da queima incompleta da madeira, tem-se: benzeno (40%); xileno (16,5%) e tolueno (0,5%). A quantidade é bem menor que a de CO (monóxido de carbono). Contudo, em áreas pouco ventiladas pode causar severo impacto à saúde, pois pode atingir concentrações

em

níveis

inaceitáveis

(AIR

QUALITY

WOOD

COOKINGSTOVE, 2013). A exposição ao benzeno em níveis baixos (700 – 3000 ppm), por 5 a 10 minutos, pode causar dor-de-cabeça ou mesmo sintomas de inconsciência. Se a exposição for por longo período, prejudica a produção de células vermelhas do tecido sanguíneo. Em exposição severa e contínua, pode levar ao câncer de sangue (leucemia). Além disso, o benzeno é prejudicial ao aparelho reprodutivo. Os impactos à saúde por baixas exposições ao tolueno compreendem cansaço e perda de memória. Em maiores concentrações, podem resultar em fatalidade. A inalação ou o contato com xileno causa problemas, pois em caso de altas concentrações, por longo ou curto período de tempo, o sistema nervoso é afetado. A madeira por ter lignina em sua composição (macromolécula polifenólica) gera muitos hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (com 18 tipos diferentes já identificados), com fator de emissão em torno de 13,4 mg/kg. Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos podem ser encontrados na fumaça da queima da madeira na forma de gases ou partículas. As áreas residenciais com cozinhas domésticas que fazem uso de fogão a lenha são emissores significantes de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, com valores na faixa de 100 a 10.000 mg/m3. Em comparação, as áreas de tráfego de carros geram 20 mg/m3 e as áreas para fumantes

geram

de

20

a

100

COOKINGSTOVE, 2013).



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mg/m3

(AIR

QUALITY

WOOD

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A fumaça da madeira é considerada a principal fonte de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos entre os combustíveis sólidos. Um exemplo do principal hidrocarboneto aromático policíclico na fumaça da madeira é o benzopireno. Durante a queima da madeira, em cozinha residencial, concentrações da ordem de 0,61 µg/m3 foram encontradas. O benzopireno é carcinogênico, ao passo que pesquisas indicam que inalações por longos períodos podem levar à formação de tumor no pulmão. Adicionalmente, o benzopireno ameaça o sistema reprodutivo levando à má formação fetal (AIR QUALITY WOOD COOKINGSTOVE, 2013). Os aerossóis são constituídos por partículas sólidas ou líquidas que se encontram em suspensão na atmosfera. A queima da madeira lança na atmosfera partículas de carbono na forma de fuligem. Os aerossóis são nocivos por obstruírem as vias aéreas, conduzirem compostos potencialmente tóxicos ao trato respiratório e por provocarem diminuição da visibilidade do ar (MONTEIRO, 1992). É preocupante a geração de matéria particulada suspensa na queima da madeira. Foi verificado que durante a combustão, aproximadamente 81% de todos os materiais particulados emitidos compreendem partículas tão pequenas que não são passíveis de serem filtradas pelo pulmão. Consequentemente, provocam problemas pulmonares, limitando a capacidade pulmonar em absorver oxigênio. Ainda mais, essas partículas bem finas levam substâncias tóxicas ao pulmão, tais como compostos carcinogênicos. Há uma relação entre a quantidade de partículas tóxicas inspiradas e a taxa de mortalidade, cuja elevação é da ordem de 6% para cada 100 microgramas do total de partículas finas inspiradas. Também existe uma correlação dessas partículas finas inspiradas no ar com doenças cardíacas, pneumonia, bronquite e asma, entre outras (AIR QUALITY WOOD COOKINGSTOVE, 2013). A poluição gerada pela queima da madeira em ambiente fechado, por exemplo, em fogões a lenha no interior de cozinhas, potencializa a ação tóxica da fumaça. A população pobre das zonas rurais é a mais afetada, por fazer uso

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frequente de fogões a lenha, enquanto que a população urbana, geralmente utiliza fogão a gás. A cocção de alimentos em ambientes fechados produz além da fumaça, particulados, monóxido de carbono e outros gases já mencionados. Mais de um bilhão de pessoas nos países em desenvolvimento são vítimas desse tipo de poluição principalmente mulheres e crianças. A queima da biomassa para cocção pelos pobres foi identificada pela OMS como a principal responsável por problemas de saúde no mundo, decorrente principalmente da poluição do ar em ambientes fechados que gera uma atmosfera insalubre. A queima da lenha expõe o usuário a altos índices de fumaça – com limites 10 vezes maiores que os recomendados pela OMS. As infecções respiratórias agudas, como a pneumonia, têm sido associadas a essa exposição (GOLDEMBERG; VILLANUEVA, 2003).

Tabela 4.3 - Concentração de poluentes do ar em ambientes fechados. Exposições típicas

Poluente

Índice de exposição diária*

1 – 20 mg/m3

Matéria particulada suspensa

0,12 mg/m3

10 – 50 mg/m3

Monóxido de carbono (CO)

10 mg/m3

0,1 – 0,3 mg/m3

Dióxido de Nitrogênio (NO2)

0,15 mg/m3

1 – 20 mg/m3

Benzo-alfa-pireno

0,001 mg/m3**

* valores recomendados pela Organização Mundial da Saúde. Exposições típicas em alguns países em desenvolvimento: Índia, Nepal, Nigéria, Quênia, Guatemala e Papua Nova Guiné. Mil pessoas após exposição ao longo da vida; **Concentração associada a um câncer entre 100. Fonte: Goldemberg e Villanueva (2003).

Os fogões a lenha convencionais apresentam baixa eficiência energética, em torno de 7%, na região brasileira Sudeste-Sul. Borges (1997) relata que a ineficiência dos fogões potencializa a emissão de voláteis tóxicos, tais como o monóxido de carbono (Tabela 4.4), além de promover um grande consumo de madeira. Adicionalmente, há uma grande ocorrência de desflorestamento, uma vez que a maioria da lenha utilizada não provém de florestas plantadas e sim de coletas manuais em matas nativas.



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Tabela 4.4 - Emissões em ambientes fechados dos fogões tradicionais. Combinação combustível/fogão

Número de medições

CO (ppm em volume)

Esterco / fogão a lenha tradicional

25

220 – 760

Madeira / fogão a lenha tradicional

38

140 – 550

Carvão vegetal / fogão a lenha tradicional

1,4

230 – 650

Carvão vegetal / fogão a lenha melhorado

22

80 – 200

Combustível de querosene / fogão

8

20 – 65

Padrão de 1 hora de exposição da OMS



46

Fonte: Kammen (1995).

Devido a todos os inconvenientes que apresenta um fogão mais eficiente e que gere menos voláteis tóxicos, o mesmo propicia combustão mais limpa, maior economia financeira e menor esforço físico da família na coleta e armazenamento da lenha. O menor consumo de lenha contribui para um menor desmatamento (BIOMASS STOVES, 1987). O fogão a lenha portátil de tecnologia “Rocket Stove”, também intitulado “fogão poupa lenha” (Figura 4.3), é projetado para ser eficiente. Nos fogões tradicionais, durante a combustão da lenha, geralmente o calor é liberado de maneira difusa, enquanto nesse fogão ocorre concentração do calor em uma única direção, permitindo a cocção de alimentos com menos lenha que os tradicionais. Trata-se de modelo que opera com estratégias de design que permitem tanto a redução no consumo de combustível quanto à diminuição de emissões tóxicas. O princípio de funcionamento se baseia na queima limpa dos voláteis gerados na combustão, na região em que o fogo se processa. Assim, os gases quentes são forçados a entrar em contato com a superfície da panela utilizada na cocção de alimentos, aumentando a eficiência sem um incremento do teor de emissões tóxicas (BIOMASS STOVES, 1987).



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Figura 4.3 - Fogão rocket stove com detalhamento sobre: câmara de combustão, isolamento térmico e canalização do calor e fumaça da queima da lenha. Fonte: Rocket Stove (2013).

A câmara de combustão é isolada termicamente, gerando menor perda de calor para as paredes metálicas e arredores, melhor mistura de oxigênio e combustível, além de melhor canalização dos voláteis produzidos na queima. O seu princípio de funcionamento é baseado na concentração de calor na câmara de combustão, direcionando o ar aquecido para a superfície da panela, com o intuito de forçar o máximo possível de transferência de energia da queima da lenha em energia útil, para ser utilizada na cocção de alimento (BIOMASS STOVES, 1987). Quando o operador, um(a) cozinheiro(a), sabe utilizar o fogão a lenha de forma adequada, a madeira pode ser queimada de maneira mais limpa. Então, observando-se a queima de lenha em condições ambiente, por meio de um fogão de três pedras (Figura 4.4), pode-se verificar que o constante direcionamento das extremidades das peças de madeira não queimadas no interior do fogo, durante o

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processo de combustão, favorece a queima contínua dos voláteis combustíveis, conforme esses vão sendo gerados na pirólise, sem a produção de muita fumaça e com uma maior quantidade de energia térmica liberada na forma de calor. O fogão “rocket stove” também opera com o princípio de combustão limpa, tendo um suporte para a lenha (grelha) na câmara de combustão, permitindo que o combustível seja queimado em sua extremidade, com entrada de ar adequada entre as peças de madeira. A entrada de ar é posicionada por baixo da câmara de combustão. A “boca” do fogão, onde se coloca a panela, tem altura três vezes maior que a da grelha da câmera de combustão. Isso faz com que a queima seja bem mais eficiente e gere maior quantidade de energia (BRYDEN et al., 2006).

Figura 4.4 - Detalhe da grelha na câmara de combustão. Fonte: Bryden et al. (2006).

Quanto maior a temperatura da chama, mais limpa será a queima. A Figura 4.4 enfatiza que a inserção da grelha contribui para manter uma boa circulação de ar na câmara de combustão. São usadas pequenas peças de madeira, o que favorece a melhor mistura ar/combustível. O combustível deve ser bem seco e uniforme em tamanho (3–4 cm de diâmetro ou entre 1,5 x 1,5 cm a 3 x 3 cm de seção transversal). Idealmente, deve-se utilizar lenha com baixo teor de umidade (6,5 a 10%), na base úmida (THE WATER BOILING TEST, 2013). A abertura da câmera de combustão, as dimensões das peças no interior do fogão por onde passa o fluxo de ar quente e a chaminé, em conjunto, devem ser análogas, ou seja, deve-se manter a área da seção transversal constante das partes

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internas constituintes do fogão. Esse procedimento ajuda na eficiência da circulação de ar no interior do fogão, possibilita manter a chama quente e facilita a transferência de calor do ar quente gerado para a panela (BRYDEN et al., 2006). O ar não transporta muita energia, assim se faz necessária uma série de mecanismos para que o aquecimento do alimento ou água ocorra de maneira efetiva. Como regra geral, uma abertura quadrada da câmera de combustão de 12 cm de cada lado, com chaminé e túneis internos de igual dimensão, irá resultar em um fogão com propriedades bastante adequadas para o uso em residência unifamiliar (Figura 4.5) (BRYDEN et al., 2006).

Figura 4.5 - Manter a área da seção transversal constante. Fonte: Bryden et al. (2006).

Deve-se ir aquecendo e queimando somente a ponta da lenha ao introduzila no fogo (Figura 4.6). Se somente a madeira queimada é aquecida, haverá muito menos produção de fumaça. Deve-se tentar manter o resto do combustível frio o suficiente para que o mesmo não libere voláteis. O objetivo é gerar, na pirólise, quantidade apropriada de gás para ser consumido na queima, promovendo combustão limpa, dificultando a geração de carvão ou fumaça (BRYDEN et al., 2006).



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(a) (b) Figura 4.6 - Queima da madeira: (a) limpa e (b) inapropriada com emissão de fumaça. Fonte: Bryden et al. (2006).

A fumaça é composta por muitos voláteis tóxicos não consumidos na combustão, sendo perigosa sua absorção por meio da respiração. Mesmo as combustões de aspecto limpo contêm emissões potencialmente tóxicas, porém em menor concentração (BRYDEN et al., 2006). A Figura 4.7 ilustra o posicionamento correto da lenha em um fogão de três pedras (tradicional), visando favorecer a formação de chama quente (fogo) para a queima dos voláteis gerados (fumaça), na medida em que os mesmos são formados.

Figura 4.7 - Esquema do fogão a lenha de três pedras. Fonte: Bryden et al. (2006).

Desse modo, é preciso melhorar a eficiência da combustão para reduzir a quantidade de fumaça liberada na queima, bem como a emissão de voláteis tóxicos à saúde do usuário. Por outro lado, melhorar a transferência de calor gerado na combustão para a panela pode reduzir significativamente a quantidade

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de lenha necessária à cocção do alimento. Em termos gerais, a conversão da energia química da lenha em calor é da ordem de 90% de eficiência. Porém as panelas, mesmo sendo metálicas, não apresentam boas propriedades na captura desse calor, por serem ineficientes trocadores de calor. Além disso, parte da energia é absorvida pelo próprio material constituinte do fogão. Os fogões a lenha pesados, construídos com pedras ou cimento, podem absorver uma fração expressiva do calor da lenha, diminuindo a energia útil do sistema de maneira considerável (BRYDEN et al., 2006). Há alguns princípios que, se seguidos, colaboram para o bom uso do fogão a lenha. O isolamento térmico da câmara de combustão e dos tubos por onde passa o fluxo de calor é imprescindível, por favorecer a obtenção de uma chama mais quente. A chama com uma maior temperatura queima o combustível e os voláteis em um maior grau, produzindo menos fumaça. Deve-se evitar o uso de materiais pesados e frios, tais como terra, barro e areia no entorno da câmara de combustão. Materiais densos não são isolantes e roubam uma fração do calor que poderia ser utilizado na cocção de alimento. O isolante deve ser leve e cheio de pequenas bolsas de ar. Exemplos naturais de isolantes incluem pedra-pomes, vermiculita, perlita, carvão vegetal e cinza de madeira. Tijolos refratários leves, resistentes a altas temperaturas, podem ser feitos a partir de matéria-prima local e apresentam boas propriedades isolantes (BRYDEN et al., 2006; DIAS, 2009). O isolante apresenta estrutura porosa, leve e resistente à passagem do calor (Figura 4.8). A lenha deve ser colocada sobre uma grelha, posicionada a certa altura na câmara de combustão, para que o ar possa circular entre as peças de madeira. A colocação de uma chaminé isolada termicamente (tubo cilíndrico), sobre essa câmara, ajuda na canalização dos voláteis e cria um local para que o ar, a fumaça e fogo se combinem, reduzindo assim a emissão (BRYDEN et al., 2006).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Figura 4.8 - Isolamento térmico no entorno da chama. Fonte: Bryden et al. (2006).

A chaminé não dever ser muito alta, em geral com uma altura aproximada de três vezes maior que seu diâmetro (Figura 4.9). A panela deve ser colocada para ser aquecida sobre a curta chaminé. A chaminé maior em altura, ou seja, maior que três vezes a dimensão do diâmetro, irá propiciar a formação de voláteis mais limpos. Porém, a altura adequada irá conduzir a uma quantidade maior de gases quentes até a superfície da panela. Uma chaminé muito alta favorece a entrada de muito ar frio na câmara de combustão, diminuindo a temperatura da chama e a transferência de calor à panela (BRYDEN et al., 2006).

Figura 4.9 - Pequena chaminé acima da câmara de combustão. Fonte: Bryden et al. (2006).

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Química da Madeira no Contexto Energético 

A adição de pequenas peças de madeira na câmara de combustão objetiva a obtenção de uma chama quente e bem intensa, a qual não deve formar muitos resíduos de combustão (coque ou carvão) no final desse processo. O préaquecimento do ar ajuda a manter a combustão mais limpa. O aquecimento deve ocorrer somente na parte que irá queimar a madeira, ao invés de outras regiões. Esta estratégia favorecerá a ocorrência de pirólise do combustível, sem a subsequente combustão dos voláteis gerados, o que aumenta a toxicidade da fumaça (BRYDEN et al., 2006). A entrada de ar frio deve ser limitada para que possa resfriar a chama, fazendo uso de uma entrada na câmara de combustão tão pequena quanto possível. Ademais, uma pequena abertura também força o usuário a utilizar menos lenha no fogão, a qual será queimada de maneira mais eficiente. Por último, certo excesso de ar é necessário para favorecer a combustão completa. Não se deve depositar a lenha na superfície da câmara de combustão. Para isso, deve-se sempre utilizar uma grelha, a certa altura. O ar necessita passar sob a lenha a ser queimada, entre o carvão e fogo gerado. Essa grelha perfurada possibilita que o ar circule melhor através do combustível. O acondicionamento da lenha na grelha deve ocorrer de tal forma que fique um pequeno espaço entre as peças. O ideal é que o ar passe primeiro sob a grelha e entre as peças de madeira, para que o mesmo já esteja aquecido ao atingir a chama. Isso ajuda os gases combustíveis a reagirem por combustão completa. O ar que flui acima da lenha não auxilia na queima, por se tratar de um gás mais frio que diminui a temperatura da chama. O gás quente é limpo, porém um fluxo de ar mais frio pode ser muito pouco limpo (BRYDEN et al., 2006). A chama alta ou baixa é criada dependendo da quantidade de lenha introduzida no fogo. Deve-se ajustar a quantidade de voláteis gerados ao fogo produzido e ao tempo necessário à cocção do alimento. A madeira se aquece e libera gases, os quais se inflamam e produzem o fogo (BRYDEN et al., 2006). A Figura 4.10 ilustra esse esquema.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

(a)

(b) Figura 4.10 - Tipos de chama na combustão: (a) alta e (b) baixa. Fonte: Bryden et al. (2006).

O aumento da eficiência do combustível ocorre mediante o uso de mecanismos que propiciem maior transferência de calor da queima da lenha para a panela. Esse princípio é atingido com o aumento da temperatura da chama e dos voláteis que entram em contato com a superfície da panela (base e laterais), por meio de um protetor lateral (“saia”) acoplado no fogão e que permita a formação de um canal estreito entre o fogão e a panela para a passagem do ar, (BRYDEN et al., 2006). A Figura 4.11 ilustra três esquemas de uso, sendo o primeiro apropriado, o segundo com a abertura apropriada otimizando a transferência de calor para a panela, e o terceiro com uma abertura inapropriada favorecendo a perda de calor para o meio.

(a)

(b)

(c)

Figura 4.11 - Ajuste da saia no fogão a lenha: (a) uso apropriado, (b) abertura apropriada e (c) abertura inapropriada. Fonte: Bryden et al. (2006).

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O ar é um pobre transferidor de calor, necessita-se de muito ar quente para que o calor possa ser transferido para a panela (BRYDEN et al., 2006). Os dois fatores mais importantes para a obtenção de grandes quantidades de calor na superfície da panela são (BRYDEN et al., 2006): 1) Manter os gases de combustão que tocam a panela o mais quente possível; 2) Forçar os gases quentes na direção da panela de maneira rápida. Ar não retém muito calor. Os gases de combustão quentes e em um fluxo rápido contra a superfície da panela vão transferir muito mais calor do que um fluxo de ar mais frio em movimento lento (BRYDEN et al., 2006). O uso de panelas metálicas, ao invés de panelas de barro, é melhor em virtude de o metal ser melhor condutor do que a argila. O tamanho da chama também influencia. A altura de chama menor, porém contínua, e que possibilite a cocção do alimento será bem mais eficiente. O uso de panelas cuja base possui diâmetro mais largo é interessante, pois permite maior superfície de contato, visando melhor transferência de calor. A “boca” do fogão deve cobrir todo o perímetro externo da panela (Figura 4.11). Há relação entre eficiência, dimensões da saia e a abertura para escape dos gases no fogão (BRYDEN et al., 2006). Em geral recomenda-se, para fogão familiar, queima inferior a 1 kg de madeira por hora, bem como abertura entre a panela e a saia de 11 mm. Se o fogão consumir 2 kg/h de lenha a abertura será 15 mm, Tabela 4.5 (BRYDEN et al., 2006).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Tabela 4.5 - Sugestões de Baldwin: tamanhos para as saias dos fogões a lenha. Consumo de

Distancia da

Comprimento

Eficiência do

Potencia

lenha

saia da panela

da saia

fogão a lenha

Calorífica

(kg/h)

(mm)

(mm)

(%)

(kW)

0,50

8

20

40

2,8

0,75

10

20

35

4,1

1,00

11

20

30

5,5

1,25

12

20

28

6,9

1,50

13

20

26

8,3

1,75

14

20

25

9,6

Fonte: Bryden et al. (2006).

Em fogões a lenha, muito do calor gerado na queima da lenha é transferido para a panela por convecção. Assim, a quantidade de madeira queimada por hora e a abertura da saia com relação à panela estão relacionados. Se a abertura for estreita demais, não existirá espaço suficiente para o fluxo de ar quente atingir toda a superfície externa da panela. Assim, a fumaça liberada tende a retornar para dentro do fogão (BRYDEN et al., 2006). O aumento da transferência de calor para a panela mantém a temperatura do fluxo de ar quente tão alta quanto possível. O isolamento térmico do fogão é essencial para se atingir esse objetivo. Se o fogão tiver área suficiente para que o fluxo de ar quente atinja a superfície externa da panela, os gases de escape na chaminé sairão muito mais frios. Se a temperatura de escape dos gases estiver acima de 200°C, deve-se aumentar a superfície do sistema destinada à troca de calor. O calor excedente não é suficiente para ferver água, mas poderá ser utilizado para seu aquecimento e de alimentos ou mesmo para uso em banhos e banheiras, Figura 4.12 (BRYDEN et al., 2006).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Isolamento do compartimento da panela

Uso de tampa com propriedades isolantes

Figura 4.12 - Isolamento térmico da panela. Fonte: Bryden et al. (2006).

O uso da “saia” também força uma maior transferência de calor para a panela, decorrente do fato de haver fluxo de ar quente contínuo na superfície lateral da panela, além de sua superfície inferior. Por fim, se possível, o uso de isolamento térmico no entorno superior da panela também aumenta a captura de calor útil, favorecendo na transferência do mesmo para a panela (BRYDEN et al., 2006).



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Química da Madeira no Contexto Energético

Capítulo 5 METODOLOGIA GERAL USADA EM TODOS OS FOGÕES A LENHA Para a determinação do teor de umidade da madeira, base úmida, o método de secagem em estufa foi empregado, o qual consistiu na colocação de quatro toretes, representativos da amostra, em uma estufa regulada para 105ºC, com pesagens sucessivas até obtenção de massa constante. O teor de umidade (U) é fornecido pela Equação 18 (BRITO, 1993; 2004), sendo mi a massa inicial da amostra e ms a massa seca. Equação 18:

U %



m

m m



100

O poder calorífico superior (PCS) considerado foi de 20,02 MJ/kg, dado obtido da literatura especializada para o gênero Pinus (CORTEZ et al., 2009). Estimou-se o valor do poder calorífico inferior (PCI) da lenha por intermédio da Equação 19, considerando a porcentagem de hidrogênio (H) da madeira igual a 6% (BRITO, 1993). Equação 19:

PCI Kcal⁄kg

PCS

600



9H 100

Mediante os valores do teor de umidade da lenha (U) e do poder calorífico inferior (PCI), o poder calorífico líquido (PCU) foi calculado pela Equação 20 (BRITO, 1993).

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Química da Madeira no Contexto Energético

Equação 20: PCU Kcal⁄kg

PCI

1

U

600

U

A eficiência de um fogão a lenha é a relação adimensional entre o efeito energético útil e o consumo de energia do combustível. A eficiência foi calculada com base na avaliação da quantidade de calor absorvido pela água em uma panela metálica (Qútil) e a quantidade de calor fornecida pelo combustível madeira (Qlenha) (NOGUEIRA; LORA, 2003). Foram efetuadas cinco repetições consecutivas. Cada ensaio apresentou duração de 20 minutos e consistiu em pesar certa quantidade de lenha antes e depois do aquecimento de 2 kg de água, sem ocorrência de ebulição, em uma panela de alumínio com tampa de 3 litros de capacidade. No decorrer do período dos ensaios, a cada 5 minutos foram feitas medidas de temperatura com o auxílio de um termômetro. Inicialmente o fogão foi aceso para realizar seu aquecimento. Após o préaquecimento do fogão, iniciou-se o primeiro teste, em que a panela permaneceu o tempo todo tampada, exceto no momento de medição da temperatura. A panela só foi colocada no fogão quando a madeira iniciou o seu processo de queima. Com auxílio da Equação 21, o calor útil absorvido pela água na panela (Qútil) foi calculado, sendo mágua a massa de água a ser aquecida (kg), Cágua o calor específico da água (kcal/kgºC) e ∆Tágua a diferença de temperatura entre o início e o final do ensaio (ºC). Equação 21: Qú

Kcal





∆Tá

Passados 20 minutos de cada ensaio o fogo foi apagado a seco e toda a lenha residual foi retirada para ser pesada.



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Química da Madeira no Contexto Energético

Para obter mais acurácia na pesagem, os resíduos da queima foram retirados do fogão e armazenados, em recipientes fechados de alumínio, em caixas de isopor para resfriamento e, em seguida, pesados em balança semianalítica. O calor total fornecido pela queima da lenha (Qlenha) foi calculado com o auxílio da Equação 22, sendo mq a massa de lenha consumida no aquecimento da água (diferença entre a massa de lenha inicial e a massa do resíduo da combustão) e PCUlenha o poder calorífico líquido da lenha. Equação 22: Q

Kcal

m

PCU

A eficiência do fogão (Ef) se obteve por meio do resultado da razão entre o calor absorvido pela água (calor útil) e a energia liberada pela lenha (Equação 23). Equação 23:

E Kcal

100



Qú Q

A potência calorífica do fogão está diretamente relacionada com o calor produzido pela lenha em decorrência do seu poder calorífico, do tempo de queima da lenha (ΔT) e da eficiência. A potência do fogão (Pf) é dada pela Equação 24, sendo mq a massa de lenha queimada. Equação 24:

P KW



m

PCU ∆T

E

A maioria dos métodos para avaliar os fogões a lenha é baseada apenas no desempenho térmico do equipamento, ignorando as emissões de poluentes.

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Química da Madeira no Contexto Energético

Contudo, os fogões a lenha liberam grandes quantidades de voláteis e gases tóxicos, submetendo o usuário a exposições extremamente prejudiciais a saúde. Dessa forma, foi realizada estimativa das quantidades liberadas de CO2, SO2 e CO por fogões metálicos.



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Capítulo 6 PESQUISA 1: FOGÕES A LENHA DA CIDADE DE IRATI, PARANÁ Resumo O presente capítulo tem como objetivo avaliar a eficiência energética, a potência calorífica e a quantidade de voláteis liberados (CO2, CO e SO2) por três modelos de fogões a lenha metálicos de residências unifamiliares, da cidade de Irati, Paraná. Todos esses fogões apresentaram baixa eficiência energética média: 2,9 ± 0,3% (fogão 1); 2,6 ± 0,5% (fogão 2) e 4,6 ± 0,2% (fogão 3). A potência calorífica foi de 159,3 ± 14,2W (fogão 1); 142,7 ± 39,2W (fogão 2) e 176,5 ± 21,7W (fogão 3). Observou-se grande liberação de voláteis, com estimativas dos teores de CO em 34,9 ± 3,1 Nm3; 35,2 ± 8,6 Nm3 e 24,5 ± 2,1 Nm3; CO2 em 314,4 ± 28,3 Nm3; 316,5 ± 77,0 Nm3 e 220,9 ± 19,0 Nm3; e SO2 em 0,027 ± 0,0 Nm3; 0,027 ± 0,0 Nm3 e 0,019 ± 0,0 Nm3, para os fogões 1, 2 e 3, respectivamente. Os resultados na análise de variância mostraram que o fogão 3 foi o mais eficiente dentre os modelos investigados. Em linhas gerais, os dados obtidos indicam baixo aproveitamento energético desses fogões e potencial risco à saúde do usuário, decorrente da liberação de gases tóxicos, como o monóxido de carbono, presentes na fumaça no interior das cozinhas das residências. Metodologia da Pesquisa 1 Essa pesquisa foi desenvolvida pela aluna de iniciação científica Pâmela Caroline Lau, sob a orientação da Profa. Dra. Gilmara de Oliveira Machado. Os resultados aqui apresentados foram adaptados do artigo de Lau et al. (2013). A área de estudo se localiza na cidade Irati, com coordenadas 50º37’51”W 25º27’56”S, no Estado do Paraná. Essa pesquisa consistiu, inicialmente, em verificar os tipos diferentes de fogões a lenha utilizados nessa cidade paranaense, constatando que todos eram de material metálico.

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Em seguida, foram selecionados os modelos presentes, o que resultou no estudo de três fogões de residências, que se localizam nos bairros Engenheiro Gutierrez, Rio Bonito e Riozinho. A madeira utilizada nos ensaios é da espécie Eucalyptus grandis W. Hill, proveniente de um plantio localizado no Centro Estadual Florestal de Educação Profissional Presidente Costa e Silva, na mesma cidade de Irati. A biomassa foi coletada de galhos caídos ao chão do talhão, com diâmetros médios de 2 cm; e posteriormente, cortados em toretes com comprimento de 30 cm. Cada um foi numerado, pesado e acondicionado em caixa de isopor para que não houvesse variação do teor de umidade. Nesse estudo foi realizado um levantamento do perfil dos usuários, características do equipamento térmico por inspeção visual e frequência de uso (Tabela 6.1). O método utilizado foi o de entrevistas abertas tanto com o usuário como com a empresa fabricante do produto. Os três fogões avaliados são metálicos (Figura 6.1) localizados no interior da cozinha, tendo como principal combustível a lenha, bem como apresentam duas bocas, com chaminé. Apesar da presença de chaminé, observou-se a ocorrência de poluição decorrente da grande produção de fumaça, porém sem liberação de fuligem no interior da cozinha. Informações adicionais encontram-se na Tabela 6.1, na qual se verifica baixa ocorrência de doenças respiratórias e frequência de uso variável pelas famílias. Tabela 6.1 - Especificações do fogão e frequência de uso. Dados

Fogão 1

Fogão 2

Fogão 3

Almoço

Jantar

Almoço

2 dias por semana

Todos os dias

Finais de semana

Fumaça

Fumaça

Fumaça

Uso do fogão a gás

Frequente

Demais refeições

Durante a semana

Obtenção da lenha

Coleta

Compra

Compra

Floresta nativa

Floresta exótica

Floresta exótica

Cinco

Três

Dois

Bronquite

Nada consta

Renite

Tipo de uso Frequência de uso Poluição gerada

Tipo de lenha Membros da família Ocorrência de doenças



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Apenas o fogão 3 apresenta isolamento térmico da câmera de combustão com tijolos de argila fixados por meio de uma mistura de cimento e areia grossa com compartimento inferior para armazenagem e secagem da lenha.

Fogão 1

Fogão 2

Fogão 3

Figura 6.1 - Fogões a lenha utilizados na pesquisa.

Para a determinação do poder calorífico da madeira, foi inicialmente realizada a análise química imediata da amostra moída e depois peneirada, usando a fração retida nas peneiras de 40 – 60 mesh, de acordo com a norma ASTM E711-87 (ASTM, 1987). A análise imediata consiste na determinação do teor de voláteis, cinzas e carbono fixo. Sendo mi massa seca inicial de serragem de madeira e mf a massa seca após tratamento térmico, o teor de voláteis (TV) foi



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determinado como a perda de massa a 600ºC, por 10 minutos, em forno mufla (Equação 25). Equação 25:

TV %



m

m m



100

Para a determinação do teor de cinzas, as amostras foram colocadas em cadinho de porcelana em um forno mufla, na temperatura de 750 ºC, por 6 horas, para a completa degradação térmica dos compostos orgânicos. As amostras calcinadas permaneceram em dessecador para resfriamento. O teor de cinzas (CZ) foi determinado pelo quociente entre a massa da amostra após a pirólise (mc) e a massa seca inicial da amostra (mi), por meio da Equação 26. Equação 26:

CZ %



m m

100

A determinação da porcentagem de carbono fixo (CF) foi feita pela diferença entre teor de volátil e cinzas de 100%. Assim, o combustível pode ser considerado como sendo constituído, em termos de análise química imediata, de três frações: carbono fixo, materiais voláteis e cinzas. O ensaio foi realizado com quatro repetições. A madeira de Eucalyptus grandis apresentou 83,8 ± 0,43% de materiais voláteis, 0,31 ± 0,00% de cinzas e 15,89 ± 2,71% de carbono fixo. A análise elementar da lenha foi obtida da literatura especializada, base seca, para a mesma espécie em estudo, consistindo em 48,33% de carbono (C); 5,89% de hidrogênio (H); 45,13% de oxigênio (O); 0,15% de nitrogênio (N); 0,01% de enxofre (S) e 0,52% de cinzas (A), conforme Jenkins e Ebeling, 1985. Assumindo-se que todo o carbono presente na madeira reage durante a combustão produzindo 90% de CO2 e 10% de CO (CARVALHO JR.;



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Química da Madeira no Contexto Energético 

MCQUAY, 2007) e que o enxofre é completamente convertido em SO2, o hidrogênio em H2O e o nitrogênio em N2, obtém-se a Equação 27. Assim, equação global da combustão de 100 kg de lenha no ar (O2 + 3,76 N2), na base de trabalho, com teor de umidade de 11,8% e fator de conversão da base seca para base de trabalho de 0,8820, é dada por: Equação 27: 3,5491 C + 5,1950 H + 2,4878 O + 0,0094 N + 0,0003 S + 0,6555 H2O + 0,4586 + 3,4268 (O2 + 3,76 N2) → 3,1942 CO2 + 0,3549 CO + 0,0003 SO2 + 3,2530 H2O + 12,8895 N2 + 0,4586 Nas análises estatísticas, a influência do tipo de fogão (1, 2 e 3) nas variáveis-resposta de interesse foi avaliada com o uso da análise de variância (ANOVA) de Kruskal-Wallis (não paramétrica) e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls, com o auxílio do software BioEstat® versão 5.0. O nível de significância (α) estipulado para a ANOVA foi de 5% e a hipótese nula (H0) formulada consistiu na equivalência entre médias, implicando a não equivalência entre médias para a hipótese alternativa (H1). Pvalor do teste de Kruskal-Wallis superior ao nível de significância implica aceitar H0, refutando-a em caso contrário. Resultados e Discussões da Pesquisa 1 A Tabela 6.2 apresenta os resultados obtidos das propriedades físicas e químicas dos fogões avaliados, sendo x a média amostral e cv o coeficiente de variação. A Figura 6.2 ilustra os resultados gráficos dessas propriedades.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Tabela 6.2 - Resultados das propriedades físicas e químicas investigadas.

x

cv (%)

Eficiência

2,916 ± 0,254

9

Potência (W)

159,33 ± 14,18

9

Fogão 1

314,38 ± 28,29

9

3

0,027 ± 0,002

9

3

34,93 ± 3,14

9

x

cv (%)

2,58 ± 0,47

18

Volume de CO2 (Nm3) Volume de SO2 (Nm ) Volume de CO (Nm ) Fogão 2 Eficiência

142,73 ± 39,17

27

3

316,52 ± 77

24

3

Volume de SO2 (Nm )

0,027 ± 0,007

24

Volume de CO (Nm3)

35,17 ± 8,56

24

x

cv (%)

4,57 ± 0,24

5

176,53 ± 21,71

12

Potência (W) Volume de CO2 (Nm )

Fogão 3 Eficiência Potência (W)

220,91 ± 19

8

3

0,019 ± 0,002

8

3

24,55 ± 2,06

8

Volume de CO2 (Nm3) Volume de SO2 (Nm ) Volume de CO (Nm )



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Eficiência

Potência do fogão (W) 180

4.0

Médias

Médias

4.5

3.5

170 160 150

3.0

140

2.5 Fogão 1

Fogão 2

Fogão 3

Fogão 1

Tipo de Fogão Volume de CO2 (Nm³)

Médias

Médias

300 280 260 240 220 Fogão 2

Fogão 3

Volume de SO2 (Nm³)

320

Fogão 1

Fogão 2

Tipo de Fogão

0.028 0.027 0.026 0.025 0.024 0.023 0.022 0.021 0.020 0.019

Fogão 3

Fogão 1

Tipo de Fogão

Fogão 2

Tipo de Fogão

Fogão 3

 

Volume de CO (Nm³) 35.0

Médias

32.5 30.0 27.5 25.0 Fogão 1

Fogão 2

Fogão 3

Tipo de Fogão

Figura 6.2 - Variação das propriedades investigadas por tipo de fogão: eficiência, potência, volume de CO2, volume de SO2 e volume de CO.

A Tabela 6.3 apresenta os resultados da análise de variância segundo o teste de Kruskal-Wallis e de comparações múltiplas entre postos de StudentNewman-Keuls, para as variáveis-resposta investigadas, estando sublinhados os P-valores inferiores a 0,05 (considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%). Os valores 1, 2 e 3 dos grupos apresentados na Tabela 6.2 referem-se aos três tipos de fogões avaliados, respectivamente.



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Tabela 6.3 - Resultados da ANOVA e das comparações por Student-Newman-Keuls. Comparações StudentNewman-Keuls (P-valor)

Posto Médio

Resposta

H

GL

Grupos Grupos Grupos

Pvalor

R1

R2

R3 (1 e 2)

(1 e 3)

(2 e 3)

Eficiência

10,22

2

0,0060

6,80

4,20

13,00

0,36

0,028

0,0019

Potência

3,35

2

0,1872













Volume CO2

6,62

2

0,0365

10,20

10,00

3,80

0,94

0,024

0,0284

Volume SO2

6,62

2

0,0365

10,20

10,00

3,80

0,94

0,024

0,0284

Volume CO

6,62

2

0,0365

10,20

10,00

3,80

0,94

0,024

0,0284

A Tabela 6.4 apresenta os resultados dos agrupamentos baseados nos dados da Tabela 6.3. Letras diferentes determinam médias estatisticamente diferentes entre si, ao nível de 95% de probabilidade. Tabela 6.4 - Agrupamentos do fator tipo de fogão por resposta. Resposta

Fogão 1

Fogão 2

Fogão 3

Eficiência

B

B

A

Potência

A

A

A

Volume de CO2

A

A

B

Volume de SO2

A

A

B

Volume de CO

A

A

B

Os resultados da Tabela 6.4 revelam que o fogão 3 foi o mais eficiente e que, em termos de potência, não há diferenças significativas entre os três fogões. Com relação à emissão de gases, o fogão 3 apresentou os menores valores, possibilitando concluir, em linhas gerais, que o mesmo 3 foi o melhor desempenho dentre os avaliados.



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Conclusões da Pesquisa 1 Os resultados mostram que os fogões apresentaram uma baixa eficiência energética. O fogão 3, por possuir um sistema de isolamento térmico da câmera de combustão, se mostrou o modelo mais eficiente, potente, com menor emissão de poluentes. O fogão 2 apresentou os piores resultados. Isso se justifica em razão de sua menor eficiência no aproveitamento do combustível como também na perda de calor para as paredes metálicas. Uma melhoria a se aplicar aos fogões 1 e 2 seria a introdução de isolante térmico na câmera de combustão, para evitar a perda de calor excessivo nas paredes metálicas de alta condutividade térmica. Os três fogões apresentam altos níveis de liberação de voláteis, com a presença de gases tóxicos como o monóxido de carbono. Dessa forma, há grande interesse em pesquisas que objetivem a avaliação da eficiência e potência térmica de fogões a lenha tradicionalmente utilizados no Brasil, bem como propostas de novos designs que apresentem maior eficiência e menor emissão de poluentes.



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Capítulo 7 PESQUISA 2: PROJETO DE FOGÃO A LENHA PROPOSTO POR ALUNOS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

Resumo O objetivo principal dessa pesquisa consistiu na construção de um fogão a lenha portátil e eficiente, baseado no modelo “Rocket Stove”. Os fogões Rocket Stove ou fogões poupa lenha são projetados para que haja melhor aproveitamento da energia liberada na combustão, com baixo consumo de lenha e emissão de voláteis. Foram utilizadas, como combustíveis, nove espécies provenientes do projeto “Teste de Uso Múltiplo de Eucaliptos” (TUME), da cidade de Irati, Paraná. O fogão foi construído com materiais metálicos recicláveis de fácil obtenção e vidro moído para isolamento térmico da câmera de combustão. O equipamento foi avaliado, para cada tipo de lenha, por meio da determinação da eficiência energética e consumo de combustível, bem como por estimativas da potência calorífica e quantidade de gases (CO, CO2 e SO2) liberados na combustão. O fogão portátil apresentou eficiência na faixa de 6,8 a 10,4%; potência de 94,1 a 326,0 W; consumo de combustível em torno de 0,1 kg para cada 20 minutos de funcionamento e teores de voláteis aproximadamente de 0,2 Nm3/kg de CO2, 0,02 Nm3/kg de CO e 10-5 Nm3/kg para SO2. Segundo os dados da literatura para a região brasileira Centro-Sul, os fogões a lenha tradicionais apresentam, em média, 7% de eficiência energética. As medidas de eficiência realizadas em fogões a lenha metálicos residenciais, da cidade de Irati, apresentaram valores na faixa de 2,9 a 4,6%. Dessa forma, o fogão proposto apresenta resultado bastante promissor, além de ser de baixo custo. Os resultados aqui apresentados foram submetidos à publicação em artigo científico.



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Metodologia da Pesquisa 2 A pesquisa foi desenvolvida pelos alunos de iniciação científica Juliana Mendonça Fávaro, Leonidas Kluger e Alison Margraf, sob a orientação da Profa. Dra. Gilmara de Oliveira Machado. Adicionalmente, houve a colaboração dos seguintes alunos da disciplina Química da Madeira no início do projeto: Carla Fernanda Mussio, Emilio Carlos Zilli Ruiz e Ricardo Moreira Cordoni. O fogão metálico portátil foi construído a partir de sucatas adquiridas em ferro velho da cidade de Irati, Paraná. Integralmente feito de materiais reutilizáveis, tal fogão cumpriu o objetivo de ser acessível à comunidade como um todo. O fogão tem 26.861 cm3 de volume e consiste de parede cilíndrica de latão (liga de cobre e zinco) com um tubo central prismático de ferro fundido na forma de L (câmera de combustão). Esta foi isolada termicamente com uma mistura de cacos de vidro de densidade de 0,80 g/cm3. O volume do isolante é 18.458 cm3. A Figura 7.1 ilustra as formas e dimensões das partes constituintes do fogão aqui construído.

(a)

(b)

A: câmara de combustão; B: isolante térmico (vidro moído)

vista superior

Figura 7.1 - Dimensões do fogão à lenha portátil.

O fogão a lenha é apresentado na Figura 7.2, em que se verifica a baixa emissão de voláteis na queima da lenha dentro da câmera de combustão isolada termicamente.  

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Figura 7.2 - Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis.

A lenha (madeira) utilizada foi proveniente do Centro Estadual Florestal de Educação Profissional Presidente Costa e Silva (Colégio Florestal), no qual se encontra o talhão com nove espécies de eucaliptos do projeto TUME, cujo plantio foi realizado no ano 2000. Tais espécies são: Corymbia citriodora; e E. saligna, E. urophylla, E. grandis, E. urograndis, E. propinqua, E. camaldulensis, E. tereticornis e E. pellita. O espaçamento do experimento é de 2 m × 2,5 m, com área de plantio por espécie de 880 m2 (176 árvores em cada bloco). Essas espécies já estavam identificadas (Tabela 7.1), com a coleta da exsicata de cada indivíduo, constituída por ramos contendo apenas as folhas, em 20/03/2013, para o depósito comprobatório no Herbário da Unicentro Campus de Irati (HUCO). Tabela 7.1 - Dados das espécies incorporadas ao acervo do herbário HUCO. Nome Científico

Nº R

Coletores

Nº A

U (%)

Eucalyptus propinqua Deane & Maiden

HUCO 5860

Favaro

61

14,3±0,2

Eucalyptus urograndis

HUCO 5861

Favaro

88

13,8±0,1

Eucalyptus grandis Hill ex Maiden

HUCO 5862

Favaro

97

14,5±0,4

Eucalyptus saligna Sm

HUCO 5857

Margraf

129

15,2±1,0

Corymbia citriodora Hook

HUCO 5858

Margraf

43

13,5±1,9

Eucalyptus urophylla S. T. Blake

HUCO 5859

Margraf

93

20,8±1,3

Eucalyptus pellita F. Muell

HUCO 5863

Kluger

54

13,7±1,0

Eucalyptus camaldulensis Dehn

HUCO 5864

Kluger

78

14,4±0,4

Eucalyptus tereticornis Sm

HUCO 5865

Kluger

89

14,2±0,3

Nº R: número de registro; Nº A: número de árvores do plantio por espécie; U (%): valor médio do teor de umidade da lenha seguido do desvio padrão.

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Visando reduzir a pressão por madeira de matas nativas, o Departamento de Ciências Florestais da ESALQ/USP (Escola Superior Luiz de Queiroz da Universidade de São Paulo) iniciou em 1995 o projeto TUME, para que o agricultor e seus vizinhos conhecessem os diferentes tipos de eucaliptos e pudessem escolher o mais adequado às suas demandas. Assim, o TUME utiliza mais de 20 espécies com potenciais madeireiros para lenha, carvão, celulose, mourões, postes, tábuas, vigas e móveis; e não madeireiros, e.g., o óleo essencial, mel, shiitake, ornamentação e quebra-vento (EMBRAPA, 2006; TUME, 2012). A lenha foi coletada de galhos caídos ao chão do talhão, com diâmetros médios de 5 cm, e posteriormente, cortados em toretes com comprimento de 30 cm. Cada torete foi numerado, pesado e acondicionado em caixas de isopor para que não houvesse variação do teor de umidade. A análise elementar da lenha foi obtida da literatura especializada (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009), base seca, para o mesmo gênero de madeira em estudo, consistindo em 49,00 % de carbono (C); 5,87 % de hidrogênio (H); 43,97 % de oxigênio (O); 0,30 % de nitrogênio (N); 0,01% de enxofre (S) e 0,72% de cinzas (A). A equação de combustão foi elaborada com a composição elementar na base de trabalho para cada espécie. Assumindo-se que todo o carbono presente na lenha reage durante a combustão produzindo apenas CO2 e CO, com conversão de 90% do carbono em CO2 e 10% em CO (CARVALHO JR.; MCQUAY, 2007) e que o enxofre é convertido completamente em SO2, o hidrogênio em H2O e nitrogênio em N2, a equação global da combustão de 100 kg de lenha de E. propinqua no ar (O2 + 3,76 N2), na base de trabalho, com teor de umidade da lenha apresentado na Tabela 7.1, é expressa pela Equação 28. Essa estimativa foi realizada para cada uma das espécies em estudo (JOSHI; VENKATARAMAN; AHUJA,1989; ZHANG et al., 1999). Equação 28: 3,4994 C + 5,0310 H + 2,3551 O + 0,0184 N + 0,000268 S + 1,6667 H2O + 0,617 + 3,4048 (O2 + 3,76 N2) → 3,1495 CO2 + 0,3500 CO + 0,000268 SO2 + 2,5153 H2O + 12,8112 N2 + 1,6667 H2O + 0,617

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Química da Madeira no Contexto Energético 

Nas análises estatísticas, a influência do tipo de madeira nas variáveisresposta de interesse foi avaliada com o uso da análise de variância (ANOVA) de Kruskal-Wallis (não paramétrica) e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls, com o auxílio do software BioEstat® versão 5.0. O nível de significância (α) estipulado para a ANOVA foi de 5%, e a hipótese nula (H0) formulada consistiu na equivalência entre médias, implicando não equivalência entre médias para a hipótese alternativa (H1). P-valor do teste de Kruskal-Wallis superior ao nível de significância implica aceitar H0, refutando-a em caso contrário. Por meio dessa análise estatística, os dados de eficiência energética desta pesquisa foram comparados com os resultados de Lau et al. (2013), na qual três modelos de fogões à lenha metálicos residenciais (Ref 1; Ref 2; Ref 3) da cidade de Irati, foram avaliados. As respostas investigadas pela ANOVA utilizaram cinco amostras por propriedade avaliada.

Resultados e Discussõesda Pesquisa 2 A Tabela 7.2 apresenta os resultados obtidos das propriedades energéticas referentes às nove espécies, sendo x a média amostral e S o desvio padrão. Tabela 7.2 - Resultados das propriedades energéticas para as nove espécies em estudo. Fogão

Ef (%)

Pf (W)

mq (kg)

CO2(Nm3/kg)

CO (Nm3/kg)

SO2(Nm3/kg)

Espécies

x±S

x±S

x±S

x±S

x±S

x±S

Propinqua

9,8±1,3

127,6±12,2 0,1±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

Urograndis

8,7±1,0

140,6±18,4 0,1±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

Grandis

8,7±0,5

163,9±21,5 0,1±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

Saligna

10,4±2,0 326,0±54,4 0,2±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,4 10-5±0

Citriodora

4,2±0,8

175,5±35,6 0,3±0,0

0,2±0,0

0,03±0.0

2,0 10-5±0

Urophilla

3,5±0,7

181,3±49,7 0,4±0,1

0,3±0,1

0,03±0.0

7,4 10-5±0

Pellita

8,5±0,6

131,5±19,8 0,1±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

Camaldulensis

6,8±1,0

116,5±24,1 0,1±0,0

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

Tereticornis

7,0±1,2

94,1±49,9

0,2±0,0

0,02±0.0

1,5 10-5±0

0,1±0,0



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Química da Madeira no Contexto Energético 

A Tabela 7.3 apresenta os resultados da análise de variância segundo o teste de Kruskal-Wallis para as diferentes espécies de madeira, e a Tabela 7.4 os resultados das comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls. Letras iguais implicam tratamentos com médias estatisticamente equivalentes na Tabela 7.4. Tabela 7.3 - Resultados da ANOVA e das comparações por Student-Newman-Keuls para as espécies de madeira em estudo. Resposta

P-valor

Eficiência

0,003

Potência

0,000

Massa Queimada

0,000

Volume de CO2

0,779

Volume de SO2

0,763

Volume de CO

0,752

Tabela 7.4 - Agrupamentos do fator espécies de madeira por propriedade física e química. Espécies de eucalipto Resposta 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Eficiência

ABC

ABC

ABC

A

AB

AB

ABC

C

BC

Massa queimada

D

D

BCD

A

BC

AB

D

D

D

Potência

C

C

ABC

A

B

A

C

C

C

Volume de CO2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

Volume de SO2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

Volume de CO

A

A

A

A

A

A

A

A

A

Espécies: 1 – propinqua; 2 – urograndis; 3 – grandis, 4 – saligna; 5 – citriodora; 6 – urophylla; 7 – pellita; 8 – camaldulensis; 9 – tereticornis.

Os resultados obtidos da Tabela 7.4 revelam que a melhor espécie de madeira dentre as nove variedades investigadas foi Eucalyptus saligna, por apresentar o maior valor de eficiência. Mostram também que, para o volume de

91

Química da Madeira no Contexto Energético 

gases liberados (SO2, CO2, CO) na combustão, a diferença entre as espécies não foi significativa, fornecendo valores equivalentes independente da espécie. A Tabela 7.5 apresenta os resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls referente à comparação dos valores de eficiência da espécie de madeira aqui estudada com os valores de eficiência dos fogões (Ref 1; Ref 2; Ref 3) avaliados no trabalho de Lau et al. (2013), em que se calculou a eficiência energética de três modelos de fogões a lenha metálicos utilizados em residências unifamiliares da cidade de Irati, Paraná. Todos os fogões apresentaram uma baixa eficiência energética média de 2,9 ± 0,3% (Ref 1), 2,6 ± 0,5% (Ref 2) e 4,6 ± 0,2% (Ref 3). Tabela 7.5 - Resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls para o agrupamento por eficiência (%) do fogão em cada espécie em estudo. Espécies

H

GL

P-valor

Eucalipto

Ref1

Ref2

Ref3

Propinqua

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Urograndis

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Grandis

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Saligna

16,5543

3

0,0009

A

BC

C

B

Citriodora

16,5543

3

0,0009

A

B

B

B

Urophylla

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Pellita

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Camaldulensis

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Tereticornis

16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Os resultados obtidos da análise estatística evidenciam a boa qualidade do fogão a lenha aqui proposto, apresentando maior eficiência térmica que os fogões metálicos tradicionalmente utilizados na cidade de Irati e de custo final muito mais acessível às famílias de baixa renda ou para agricultores, que poderão utilizar o equipamento térmico quando se encontram em trabalho de campo.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Os fogões-referência (LAU et al., 2013) apresentam baixa eficiência no aproveitamento do combustível decorrente principalmente da perda de calor para as paredes metálicas. O isolamento da câmera de combustão do protótipo proposto garantiu melhor aproveitamento da energia útil e, assim, mostra seu grande potencial de aplicação prática. Os dados obtidos indicaram melhor aproveitamento energético do fogão portátil e menor potencial de risco à saúde do usuário, decorrente da baixa liberação de fumaça mesmo não contendo chaminé. Portanto, caso seja usado em interiores residenciais, espera-se menor liberação de gases tóxicos que os fogões tradicionais, como o monóxido de carbono (CO), presentes na fumaça do interior das cozinhas das casas.

Conclusões da Pesquisa 2 Há grande interesse em pesquisas objetivando avaliar a qualidade de fogões a lenha, bem como propostas de novos projetos que apresentem maior eficiência e menor emissão de poluentes. O fogão a lenha desse estudo apresentou eficiência na faixa de 6,8 a 10,4 %; potência de 94,07 a 326,0 W; consumo de combustível em torno de 0,1 kg para cada 20 minutos de funcionamento e baixos teores de voláteis, sendo aproximadamente 0,2 Nm3/kg de CO2; 0,02 Nm3/kg de CO e 10-5 Nm3/kg para SO2. Dentre as nove espécies investigadas, o Eucalyptus saligna mostrou a melhor, por apresentar os maiores valores de eficiência. Em linhas gerais, os resultados obtidos neste trabalho evidenciam o desempenho superior do fogão estudado em relação aos fogões metálicos tradicionais da cidade de Irati, com baixo custo na sua construção e praticidade de uso.



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Capítulo 8 PESQUISA 3: PROJETOS DE MELHORIA DE FOGÕES A LENHA PROPOSTOS POR ALUNOS DE GRADUAÇÃO

8.1. Grupo 1: Avaliação do Desempenho Energético de Fogão a Lenha Portátil para a Cidade de Irati, Paraná

Resumo Neste trabalho foi construído e testado um fogão a lenha portátil. O fogão proposto tem eficiência média de 12,3%, enquanto que os fogões residenciais de Irati se apresentam na faixa de 2,9 a 4,6%. Foi utilizado como combustível a lenha de Mimosa scabrella (Bracatinga), com 13% de teor de umidade, e como isolante térmico da câmera de combustão, cinzas provenientes de uma churrasqueira. O fogão estudado apresentou potência de 241,3 W, consumo de combustível em torno de 0,2 kg para cada 20 minutos de funcionamento e como teores de voláteis aproximadamente 0,1 Nm3/kg de CO2; 0,01 Nm3/kg de CO e 9,6 10-6 Nm3/kg para SO2. A concentração de CO média (430 mg/m3) e máxima (740 mg/m3), bem como de exposição ao gás (430 h-mg/m3), por uma hora de uso do fogão em uma cozinha hipotética, se apresentaram inferiores aos dos fogões tradicionais. Mesmo indicando menor impacto à saúde do usuário, os valores são muito superiores aos recomendados pela Organização Mundial da Saúde (OMS). Dessa forma, o fogão proposto apresenta resultado bastante promissor, além de ser de baixo custo. Os resultados aqui apresentados foram submetidos à publicação em artigo científico (no prelo).



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Metodologiada Pesquisa 3 – Grupo 1 O fogão metálico portátil foi construído a partir de sucatas adquiridas em ferro velho da cidade de Irati, Paraná. Totalmente feito de materiais reutilizáveis, cumpre o objetivo de ser acessível à comunidade como um todo. O fogão tem 15394 cm3 de volume e consiste de parede cilíndrica de latão (liga de cobre e zinco) com um tubo central cilíndrico de zinco na forma de L (câmera de combustão). Esta foi isolada termicamente com cinzas de densidade 0,43 g/cm3, provenientes de combustão de carvão vegetal de uma churrasqueira residencial da cidade de Irati, Paraná. O volume do isolante é 11785 cm3 e a câmara de combustão tem 3609 cm3. A Figura 8.1 ilustra as partes constituintes do fogão construído.

(a)

(b)

Figura 8.1 - Constituintes do fogão a lenha portátil: (a) chaminé de zinco e (b) detalhe do isolamento térmico.

O fogão a lenha é apresentado na Figura 8.1, em que se verifica a baixa emissão de voláteis na queima da lenha dentro da câmera de combustão isolada termicamente. A lenha utilizada é de Mimosa scabrella (Bracatinga), com 13 ± 0,5% de teor de umidade, sendo proveniente do comércio local da cidade de Irati.

Figura 8.2 - Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis.

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Química da Madeira no Contexto Energético 

A maioria dos métodos utilizados para avaliar os fogões a lenha é baseada apenas no desempenho térmico do equipamento, ignorando as emissões de poluentes. Contudo, os fogões a lenha liberam grandes quantidades de voláteis e gases tóxicos, submetendo o usuário a exposições extremamente prejudiciais a saúde. Assim, foi realizada uma estimativa da quantidade de CO2, SO2 e CO liberados por fogões metálicos. Segundo dados da literatura, a quantidade média de CO liberado na queima incompleta da madeira em fogões a lenha metálicos equivale cerca de 10% do teor de gases provenientes da queima do carbono (JOSHI; VENKATARAMAN; AHUJA, 1989; ZHANG et al., 1999). De posse dos valores da análise elementar, é possível apresentar a equação balanceada da combustão da lenha (Equação 1, Capítulo 3) e assim determinar os teores de CO, CO2 e SO2 liberados na queima de um quilograma de combustível, para cada ensaio realizado, por meio da densidade dos gases na CNTP. A análise elementar, base seca, da lenha foi obtida da literatura especializada (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009), consistindo em 49,00% de carbono (C); 5,87% de hidrogênio (H); 43,97% de oxigênio (O); 0,30% de nitrogênio (N); 0,01% de enxofre (S) e 0,72% de cinzas (A). A equação de combustão foi elaborada com a composição elementar na base de trabalho, assumindo-se que todo o carbono presente na lenha reage durante a combustão (CARVALHO JR.; MCQUAY, 2007) produzindo apenas CO2 e CO, com conversão de 90% do carbono em CO2 e 10% em CO, e que o enxofre é completamente convertido em SO2, o hidrogênio em H2O e nitrogênio em N2, a equação global da combustão de 100 kg de lenha de Bracatinga no ar (O2 + 3,76 N2), na base de trabalho, com teor de umidade da lenha de 13 ± 0,5%, é expressa pela Equação 29 (JOSHI; VENKATARAMAN; AHUJ, 1989; ZHANG et al., 1999).



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Equação 29: 3,5548C + 5,11H + 2,3924O + 0,0187N + 0,000272S + 1,6667 H2O + 0,627 + 3,4587 (O2 + 3,76 N2) → 3,1994CO2 + 0,3555CO + 0,000272SO2 + 2,5551H2O + 13,0141N2 + 1,6667 H2O + 0,627 A combustão incompleta da madeira em ambientes fechados, como cozinhas, gera emissões de monóxido de carbono e assim pode resultar em altas concentrações de CO no meio. O método para predizer a concentração média (Cmédio, em mg/m3), máxima (Cmax, em mg/m3) e potencial de exposição (E, em h-mg/m3) ao CO foi baseado nos pressupostos da pesquisa de Zhang et al. (1999), a partir dos quais se assume que todo CO emitido provém somente do fogão que não apresenta chaminé ou exaustor. Adicionalmente, assume-se também que o CO se dilui homogeneamente na cozinha, sendo removido somente pela ventilação e renovação natural do ambiente. Nessas condições, a concentração média e máxima de CO e o potencial de Exposição ao gás são dados pelas Equações 30, 31 e 32, em que F (kg/h) se refere à taxa de queima do combustível; Ef (g/kg) à quantidade de CO (g) por unidade de massa queimada de madeira (kg); t (h) é o tempo de queima sendo representado por T para o período completo: V (m3) é o volume da cozinha e S (h-1) a taxa de renovação natural do ar. Adotou-se um volume para a cozinha de 40 m3 (volume típico das cozinhas de Irati, Paraná), com taxa de renovação do ar de 1 h-1 (valor estimado para uma cozinha com somente uma porta e uma janela). O valor de Ef e F foram determinados com os dados experimentais, sendo 99,5 g/kg e 0,5 kg/h, respectivamente. No tempo de uso do fogão, assumiu-se como uma hora o período de preparação de cada refeição (café da manhã, almoço ou jantar). Equação 30:

C





F E 1 V S



97

e

Química da Madeira no Contexto Energético 

Equação 31:

C



é

F E 1 V S

S

F E T V S

1 1 S



1 T

e

1

Equação 32:

E



e

Os dados foram avaliados com o uso da análise de variância (ANOVA) de Kruskal-Wallis (não paramétrica) e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls, com o auxílio do software BioEstat® versão 5.0. O nível de significância (α) estipulado para a ANOVA foi de 5% e a hipótese nula (H0) formulada consistiu na equivalência entre médias, implicando a não equivalência entre médias para a hipótese alternativa (H1). P-valor do teste de Kruskal-Wallis superior ao nível de significância implica aceitar H0, refutando-a em caso contrário. Os resultados de eficiência energética, consumo de lenha, concentração e exposição ao CO desta pesquisa foram comparados com os obtidos no trabalho de Lau et al. (2013), em que 3 modelos de fogões a lenha metálicos residenciais (Ref 1; Ref 2; Ref 3), da cidade de Irati, foram avaliados. As respostas investigadas pela ANOVA foram Eficiência, Potência, Massa Queimada, Gases liberados da Combustão (CO2, SO2, CO), Concentração e Exposição ao CO, sendo utilizadas cinco amostras por propriedade.

Resultados e Discussões da Pesquisa 3 – Grupo 1 A Tabela 8.1 a apresenta os resultados obtidos das propriedades energéticas investigadas, sendo x a média amostral e S o desvio padrão.



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Tabela 8.1 - Resultados de eficiência (Ef), potência calorífica (Pf), massa queimada (mq) e volume de gases da combustão (CO2, CO e SO2) da lenha de Bracatinga. Ef (%) Pf (W) mq (Kg) CO2 (Nm³/Kg) CO (Nm³/Kg) SO2 (Nm³/Kg)

x±S 12,3±1

241,3±28,4

0,157±0,02

0,1±0

0,01±0

9,60E-6±0

12,7

12,7

Cv (%) 8,1

11,8

12,7

12,7

A Tabela 8.2 a apresenta os resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls referente à comparação dos valores de eficiência da espécie de madeira aqui estudada (F Bas 1) com os valores de eficiência dos fogões (Ref 1; Ref 2; Ref 3) avaliados no trabalho de Lau et al. (2013), conforme anteriormente mencionado. Todos os fogões apresentaram uma baixa eficiência energética média de 2,9 ± 0,3% (Ref 1), 2,6 ± 0,5% (Ref 2) e 4,6 ± 0,2% (Ref 3). Tabela 8.2 - Resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls: agrupamento por eficiência (%) entre os fogões. Agrupamento – Eficiência (%) H GL P-valor FBas1 Ref 1 Ref 2 Ref 3 16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

Os resultados obtidos evidenciam a boa qualidade do fogão a lenha proposto, que apresenta maior eficiência térmica que os fogões metálicos tradicionalmente utilizados na cidade de Irati, Paraná e de custo final muito mais acessível às famílias de baixa renda ou mesmo para agricultores, que poderão utilizar o equipamento térmico quando se encontram em trabalho de campo. Os fogões-referência (LAU et al., 2013) apresentam baixa eficiência no aproveitamento do combustível, decorrente principalmente da perda de calor para as paredes metálicas expostas aos gases de combustão. O isolamento da câmera de combustão, do protótipo proposto, garantiu melhor aproveitamento da energia útil, possibilitando a concentração de calor na câmara de combustão.

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Química da Madeira no Contexto Energético 

Dados comparativos do fogão a lenha portátil com os fogões referência são apresentados na Tabela 8.3 e Figura 8.3, nas quais se verifica a relação entre eficiência e quantidade de combustível queimado. Observa-se tendência de diminuição da quantidade de lenha necessária na combustão com o aumento da eficiência, Figura 8.3. Esse resultado indica que fogões mais eficientes consomem menos lenha e consequentemente promovem maior economia no uso do combustível. Outro fator que pode influenciar na eficiência dos fogões a lenha é a umidade dessa biomassa. Yuntenwi et al. (2008) citam que o combustível extremamente seco ou excessivamente úmido inibe a eficiência da combustão, conforme comprovado em seus estudos, nos quais os rocket stoves apresentaram maior eficiência a 15% de umidade do que a 5 e 30% (base úmida). Tabela 8.3 - Resultados estatísticos comparativos da massa de lenha queimada (mq) pelo fogão portátil (F Bas 1) relativo aos três fogões referência (FR 1, FR 2 e FR 3), sendo Ef a eficiência do fogão a lenha. R P FBas 1 FR1 FR2 FR3 Ef (%)

12,3

2,6

2,9

4,6

mq (kg)

0,16±0,02

0,44±0,11

0,44±0,04

0,31±0,03

C

A

A

C

0,000

* médias seguidas pelas mesmas letras não diferem estatisticamente pelo teste de comparação entre postos de Student-Newman-Keuls

Consumo de lenha (kg)

0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Eficiência do fogão (%)

Figura 8.3 - Comparação da eficiência versus quantidade de lenha consumida para o fogão a lenha portátil em conjunto com os três fogões referência.

O fogão portátil apresenta economia de combustível em torno de 60% quando comparado aos fogões referências. Os fogões metálicos tradicionais da

100

Química da Madeira no Contexto Energético 

cidade de Irati demandam maior quantidade de combustível por terem menor eficiência de conversão da energia liberada em energia útil e não apresentarem isolamento térmico da câmera de combustão. O fogão portátil apresenta menor potencial de risco à saúde do usuário, decorrente da menor liberação de voláteis, mesmo não contendo chaminé. Dessa forma, caso seja usado em interiores residenciais, apresenta menor liberação de gases tóxicos, como o monóxido de carbono (Tabela 8.4), presentes na fumaça no interior das cozinhas. Segundo a Organização Mundial da Saúde e Normas Americanas, para uma hora de exposição ao CO, o valor limite recomendado é de 40 h-mg/m3. Os resultados apresentados tanto pelo fogão portátil como pelos fogões tradicionais são da ordem de 975 a 2930%, superiores ao limite recomendado. Esse dado, mais uma vez, indica fortes evidências da grande toxicidade a que o usuário de fogão a lenha está exposto em ambiente residencial. Tabela 8.4 - Concentração e exposição ao CO em ambiente interno (cozinha) hipotético para 1 hora de consumo de lenha em fogão metálico sem chaminé ou exaustor. E (hmg/m3) F (kg/h) Ef (g/kg) Cmáx (mg/m3) Cmédio (mg/m3)

x±S

x±S

x±S

x±S

FBas1

0,5±0,1 B

99,5

740±94C

430±54C

430±54C

Ref 1

1,3±0,3 A

99,4

2083±507 A

1212±295A

1212±295A

Ref 2

1,3±0,1 A

99,4

2069±186A

1204±108A

1204±108A

Ref 3

0,9±0,1C

99,4

1454±122B

846±71B

846±71B

* médias seguidas pelas mesmas letras não diferem estatisticamente pelo teste de comparação entre postos de Student-Newman-Keuls

Nesse estudo está sendo analisada apenas a emissão de CO, porém sabe-se que a fumaça da queima da lenha também contém muitas outras substancias tóxicas ou potencialmente tóxicas, tais como compostos cancerígenos (benzeno, 1,3-butadieno, além de dióxido de nitrogênio, aldeídos, hidrocarbonetos aromáticos) e material particulado. A população de Irati, em especial da periferia e meio rural, ainda faz uso frequente de fogões a lenha. Uma solução de menor

101

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impacto à saúde do usuário seria o uso de chaminés (que diminuem a exposição aos gases tóxicos em mais de 50%), maior ventilação do ambiente por meio de janelas, portas e exaustores e empregar equipamentos térmicos mais eficientes.

Conclusões da Pesquisa 3 – Grupo 1 Há grande interesse em pesquisas que permitam a avaliação da qualidade de fogões a lenha, bem como propostas de novos designs que apresentem maior eficiência e menor emissão de poluentes. O fogão a lenha deste estudo apresentou eficiência na faixa de 12%; potência de 241,3 W; consumo de combustível em torno de 0,5 kg/h e teores de voláteis de aproximadamente 0,1 Nm3/kg de CO2; 0,01 Nm3/kg de CO e 9,610-6 Nm3/kg para SO2. Comparações com fogões metálicos residenciais de Irati mostraram que o fogão aqui proposto exibe melhor desempenho, por apresentar maior valor de eficiência e menor concentração média de CO (430 mg/m3) e máxima (740 mg/m3) bem como de exposição ao gás (430 mg/m3) por uma hora de uso em uma cozinha hipotética. Em linhas gerais, os resultados obtidos evidenciam o desempenho superior do fogão proposto quando comparado aos fogões metálicos tradicionais da cidade de Irati, com baixo custo na sua construção e praticidade de uso. Além disso, os protótipos representam menor risco à saúde do usuário, como no caso dos fogões metálicos, nos quais ocorre liberação de gases tóxicos, como o monóxido de carbono (CO), presentes na fumaça no interior das cozinhas das casas.

8.2. Grupo 2: Avaliação da Qualidade Energética e Ambiental de Fogão a Lenha Portátil para a Cidadede Irati, Paraná

Resumo Neste trabalho foi construído e testado um fogão a lenha portátil com chaminé acoplada. O fogão proposto tem eficiência média de 6,4% enquanto que

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para os fogões residenciais de Irati, Paraná, se apresenta na faixa de 2,9 a 4,6%. Utilizou-se como combustível lenha de Pinus taeda, com 9,6% de teor de umidade, e folhelho (solo estratificado característico da cidade de Irati) como isolante térmico da câmera de combustão. O fogão portátil apresentou potência de 337,4 W; consumo de combustível de 1,2 kg/h e como teores de gases de combustão aproximadamente 0,3 Nm3/kg de CO2, 0,03 Nm3/kg de CO e 2,5 10-5 Nm3/kg para SO2. A concentração de CO média (160mg/m3) e máxima (200mg/m3) bem como de exposição ao gás (587h-mg/m3), para três horas de uso diário do fogão em uma cozinha hipotética, se apresentaram estatisticamente equivalentes aos dos fogões tradicionais, mas com limiares 82% superiores aos recomendados pela OMS, indicando potencial impacto à saúde do usuário se o mesmo for utilizado sem chaminé. Além de ser de baixo custo, o fogão proposto apresenta resultado bastante promissor quanto à eficiência.

Metodologiada Pesquisa 3 – Grupo 2 O fogão metálico portátil foi construído a partir de sucatas adquiridas em ferro velho da cidade de Irati, Paraná. Totalmente feito de materiais reutilizáveis, cumpriu desta forma o objetivo de ser acessível à comunidade como um todo. O fogão tem 27741,83 cm3 de capacidade, com volume ocupado pelo isolante de 22025,03 cm3 e pela câmera de combustão de 5716,80 cm3. O isolante apresenta densidade de 2,9 g/cm3 (MACHADO et al., 2014). A câmera de combustão tem formato triangular, para obtenção de maior razão ar-combustível, com abertura lateral para entrada adicional de ar. Utilizouse como isolante térmico o folhelho, solo característico de Irati. Os alunos obtiveram informações na Disciplina de Solos Florestais, ministrada pela Profa. Cristiane Alves Fogaça, que esse tipo de material apresenta boas propriedades isolantes. A Figura 8.4 ilustra as formas e dimensões das partes constituintes do fogão aqui construído. Os resultados apresentados foram submetidos à publicação científica (MACHADO et al., 2014).



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Figura 8.4 - Dimensões do fogão a lenha portátil. Fonte: Machado et al. (2014).

O fogão a lenha portátil é apresentado na Figura 8.5, na qual se verificam as dimensões de cada um dos componentes constitutivos, com destaque para a câmera de combustão, projetada com capacidade volumétrica para facilitar a mistura ar/combustível. Como medida de segurança, acoplou-se uma chaminé com o intuito de melhorar a canalização e a remoção dos voláteis tóxicos gerados na combustão incompleta da madeira. Na Figura 8.5, se observa a baixa emissão de voláteis no meio da queima da lenha, disposta sobre uma grelha, dentro da câmera de combustão isolada termicamente. A lenha utilizada é de Pinus taeda, com 9,6 ± 0,8% de teor de umidade, proveniente do comércio local da cidade de Irati, Paraná (MACHADO et al., 2014).



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Figura 8.5 - Fogão a lenha portátil com baixa emissão de voláteis. Fonte: Machado et al. (2014).

A análise elementar, base seca, da lenha foi obtida da literatura especializada (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2009), consistindo em: 49,25% de carbono (C); 5,99% de hidrogênio (H); 44,36% de oxigênio (O); 0,06% de nitrogênio (N); 0,03% de enxofre (S) e 0,30% de cinzas (A). A equação de combustão foi elaborada com a composição elementar na base de trabalho assumindo-se que todo o carbono presente na lenha reage durante a combustão produzindo apenas CO2 e CO, com conversão de 90% do carbono em CO2 e 10% em CO (CARVALHO JR.; MCQUAY, 2007) e que o enxofre é completamente convertido em SO2, o hidrogênio em H2O e nitrogênio em N2, a equação global (Equação 33) da combustão de 100 kg de lenha de Pinus taeda no ar (O2 + 3,76 N2), nas citadas condições, com teor de umidade da lenha de 9,6 ± 0,8% (JOSHI; VENKATARAMAN; AHUJA, 1989; ZHANG et al., 1999).

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Equação 33 (MACHADO et al., 2014): 3,69C + 5,30H + 2,48O + 0,019N + 0,00028S + 1,67 H2O + 0,65 + 3,59 (O2 + 3,76 N2) → 3,32CO2 + 0,37CO + 0,00028SO2 + 2,65H2O + 13,49N2 + 1,67 H2O + 0,65 Na combustão incompleta da madeira em ambientes fechados, adotou-se volume de 40 m3 para a cozinha (típico das cozinhas de Irati, Paraná), com taxa de renovação do ar de 15 h-1 (valor estimado para uma cozinha urbana). O valor de Ef e F foram determinados com os dados experimentais, sendo 103,6 g/kg e 1,2 kg/h, respectivamente. Para tempo de uso do fogão, assumiu-se como uma hora o período de preparação de cada refeição (café da manhã, almoço ou jantar), totalizando três horas de uso diário (MACHADO et al., 2014). Os dados foram avaliados com o uso da análise de variância (ANOVA) de Kruskal-Wallis (não paramétrica) e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls, com o auxílio do software BioEstat® versão 5.0. O nível de significância (α) estipulado para a ANOVA foi de 5% e a hipótese nula (H0) formulada consistiu na equivalência entre médias, implicando a não equivalência entre médias para a hipótese alternativa (H1). P-valor do teste de Kruskal-Wallis superior ao nível de significância implica aceitar H0, refutando-a em caso contrário. Os resultados de eficiência energética, consumo de lenha, concentração e exposição ao CO desta pesquisa foram comparados com os obtidos no trabalho de Lau et al. (2013), no qual 3 modelos de fogões a lenha metálicos residenciais (Ref 1; Ref 2; Ref 3), em Irati/PR, foram avaliados. As respostas investigadas pela ANOVA foram eficiência, massa queimada, gases liberados da combustão (CO2, SO2, CO), potência, concentração e exposição ao CO, sendo utilizadas cinco amostras por propriedade (MACHADO et al., 2014).



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Resultados e Discussões da Pesquisa 3 – Grupo 2 A Tabela 8.5 apresenta os resultados obtidos das propriedades energéticas investigadas, sendo x a média amostral e S o desvio padrão. Tabela 8.5 - Resultados de eficiência (Ef), potência calorífica (Pf), massa queimada (mq) e volume de gases da combustão (CO2, CO e SO2) da lenha de Pinus taeda. Ef (%) Pf (W) mq (Kg) CO2 (Nm³/Kg) CO (Nm³/Kg) SO2 (Nm³/Kg)

x±S 6,4±1

337,4±31,9

0,39±0,05

0,3±0,04

0,03±0,01

2,5E-5±3,5E-6

14

14

Cv (%) 15

9

14

14

Fonte: Machado et al. (2014).

A Tabela 8.6 apresenta os resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls referente à comparação dos valores de eficiência da espécie de madeira estudada (F Bas1) com os valores de eficiência dos fogões (Ref 1; Ref 2; Ref 3) avaliados por Lau et al. (2013). Os fogões referidos apresentaram baixa eficiência energética média de 2,9 ± 0,3% (Ref1); 2,6 ± 0,5% (Ref 2) e 4,6 ± 0,2% (Ref 3) (MACHADO et al., 2014). Tabela 8.6 - Resultados da ANOVA de Kruskal-Wallis e do teste de comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls: agrupamento por eficiência (%) entre os fogões. Agrupamento – Eficiência (%) H GL P-valor FBas1 Ref 1 Ref 2 Ref 3 16,5543

3

0,0009

A

C

C

B

* médias seguidas pelas mesmas letras não diferem estatisticamente pelo teste de comparação entre postos de Student-Newman-Keuls. Fonte: Machado et al. (2014).

Os resultados obtidos evidenciam a boa qualidade do fogão a lenha aqui proposto, apresentando maior eficiência térmica que os fogões metálicos tradicionalmente utilizados em Irati e de custo final muito mais acessível às famílias de baixa renda ou mesmo para agricultores, que poderão utilizar o

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Química da Madeira no Contexto Energético 

equipamento térmico quando se encontram em trabalho de campo. Os fogõesreferência (LAU et al., 2013) apresentam baixa eficiência no aproveitamento do combustível, decorrente principalmente da perda de calor para as paredes metálicas expostas aos gases de combustão (MACHADO et al., 2014). O isolamento da câmera de combustão, do protótipo proposto nesse estudo, garantiu um melhor aproveitamento da energia útil, possibilitando a concentração de calor na câmara de combustão (MACHADO et al., 2014). A partir dos valores de calor útil médio (Qútil = 96,7 ± 9,1 kcal) e poder calorífico líquido da lenha na condição de uso (9,6 ± 0,8% de umidade) para o fogão a lenha portátil, e utilizando a Equação 34, é possível estimar o consumo de lenha (mc) bem como a área de plantio necessário em função da eficiência do fogão (Ef , em %), para a espécie de Pinus taeda. A variação de massa de lenha consumida (mc) é dada pela Equação 35, sendo 6,52 % a porcentagem de resíduo gerado na queima da lenha. Para a estimativa de área de plantio, como a produção é calculada baseada na massa seca, utilizou-se Equação 36 de conversão, onde ms é a massa seca da amostra, com 9,6% de umidade (U%). Na estimativa de área de plantio para fornecimento de lenha de Pinus taeda, utilizaram-se dados de um plantio de 5 anos, com altura média das árvores de 6,21 m, com diâmetro na altura do peito (DAP) de 11,81 cm e produção de biomassa seca de 12037 kg/ha (MACHADO et al., 2014). Supôs 1h de duração no preparo de cada refeição (3 ao dia) com uso anual de 365 dias (SETTE JR.; GEROMINI; NAKAJIMA, 2004). Equação 34:

m

1

m 0,0652

Equação 35:

m

100 Q E PCU



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Química da Madeira no Contexto Energético 

Equação 36:

m

100 U %

m 100

A comparação considera os dados do fogão portátil e do fogão a gás (GLP), comumente utilizado nas residências urbanas, com massa de 13 kg, PCU de 10000 kcal/kg e eficiência de 50%. Supondo que será necessário um botijão de gás por mês de uso, na preparação das três refeições, resulta numa quantidade anual de gás de 156 kg. A Tabela 8.7 indica a quantidade equivalente anual de lenha para a eficiência do fogão portátil, e caso ele tivesse a eficiência do fogão a gás. Os resultados destacam a importância de se operar com equipamentos térmicos mais eficientes (Machado et al., 2014). Um fogão eficiente propicia combustão mais completa e limpa, bem como economia financeira e de esforço físico da família para a coleta da lenha e seu armazenamento. O menor consumo de lenha gera por fim diminuição no desmatamento ou na necessidade de área plantada (BRAND, 2010; REGUEIRA, 2010). Tabela 8.7 - Quantidade de lenha (9,6% de umidade) e área de plantio necessário ao fogão a lenha portátil em comparativo ao fogão a gás (eficiência de 50%). Eficiência (%) Massa de lenha anual (kg) Área de plantio (ha) 6,40

50

1336

171

37

5

Fonte: Machado et al. (2014).

Na Figura 8.6 também se observa tendência de diminuição da quantidade de lenha necessária na combustão com o aumento da eficiência. Isso indica que os fogões eficientes consomem menos lenha (MACHADO et al., 2014).



109

130

5000

120

4500

110 4000

Área de Plantio (ha)

Massa de lenha consumida (kg)

Química da Madeira no Contexto Energético 

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

-500 -5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-5

55

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Eficiência do fogão portátil (%)

Eficiência do fogão portátil (%)

Figura 8.6 - Área de plantio e lenha consumida (U=9,6 %) versus eficiência do fogão portátil. Fonte: Machado et al. (2014).

Tão importante quanto à eficiência do fogão são informações relativas à liberação de voláteis tóxicos na queima do combustível. Todos os fogões a lenha operam por meio de combustão incompleta que, além de liberar menos energia contida no combustível, gera muitos compostos tóxicos (NORTHCROSS et al., 2012). O fogão portátil apresenta menor potencial de risco à saúde do usuário, em virtude da menor liberação de voláteis na combustão e da presença de chaminé que direciona os gases para o exterior do ambiente onde o equipamento está instalado. Dessa forma, caso seja usado em interiores residenciais, apresenta uma menor liberação de gases tóxicos no meio, como o monóxido de carbono (Tabela 8.8), sempre presente na fumaça no interior das cozinhas (MACHADO et al., 2014). Segundo a Organização Mundial da Saúde e Normas Americanas, para um dia de exposição ao CO, o valor limite recomendado é 96h-mg/m3. Os resultados apresentados tanto pelo fogão portátil como pelos fogões tradicionais são da ordem de 83% superiores ao limite recomendado. Isso indica fortes evidências da grande toxicidade a que o usuário de fogão a lenha está exposto em ambiente residencial, caso não exista equipamentos (exaustor) ou dispositivos instalados (chaminé) na cozinha para remoção desses voláteis (JOSHI; VENKATARAMAN; AHUJA, 1989; ZHANG et al., 1999).



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Tabela 8.8 - Concentração e Exposição ao CO em ambiente interno (cozinha) hipotético para 3 horas de consumo de lenha em fogão metálico sem chaminé ou exaustor. Cmédio (mg/m3) E (h-mg/m3) F (kg/h) Ef (g/kg) Cmáx (mg/m3)

x±S

x±S

x±S

x±S

FBas1

1,2±0,2 A

103,6

200±28ª

160±22A

587±82A

Ref1

1,3±0,3 A

99,4

220±53 A

176±43A

645±157A

Ref2

1,3±0,1 A

99,4

218±20ª

175±16A

640±58A

Ref3

0,9±0,1C

99,4

153±13B

123±10B

450±38B

* médias seguidas pelas mesmas letras não diferem estatisticamente pelo teste de comparação entre postos de Student-Newman-Keuls

Neste estudo foi analisada apenas a emissão de CO, porém sabe-se que a fumaça da queima da lenha também contém muitas outras substancias tóxicas ou potencialmente tóxicas, tais como compostos cancerígenos (benzeno, 1,3butadieno, além de dióxido de nitrogênio, aldeídos, hidrocarbonetos aromáticos) e material particulado. A população de Irati, em especial da periferia e do meio rural, ainda faz uso frequente de fogões à lenha. Uma solução, que já vem sendo tomada pela população, é o uso de chaminés que diminuam a exposição aos gases tóxicos em mais de 50%, uma maior ventilação do ambiente por meio de janelas, portas e exaustores (não observados nos fogões tradicionais de Irati) e o uso de equipamentos térmicos mais eficientes (MACHADO et al., 2014).

Conclusões da Pesquisa 3 – Grupo 2 Há grande interesse em pesquisas que possibilitem a avaliação da qualidade de fogões a lenha, bem como propostas de novos designs que apresentem maior eficiência e menor emissão de poluentes (MACHADO et al., 2014). O fogão a lenha deste estudo apresentou eficiência na faixa de 6,4 ± 1%; potência de 337,4 ± 31,9 W; consumo de combustível em torno de 1,2 ± 0,2 kg/h



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Química da Madeira no Contexto Energético 

e teores de gases de aproximadamente 0,3 ± 0,04 Nm3/kg de CO2, 0,03 ± 0,01 Nm3/kg de CO e 2,5 10-5±3,5 10-6 Nm3/kg para SO2 (MACHADO et al., 2014). Comparações com fogões metálicos residenciais de Irati mostraram que o fogão proposto nessa pesquisa tem melhor desempenho no quesito eficiência, porém não se verificou diferença estatística na concentração de CO média (160 ± 22mg/m3) e máxima (200 ± 28mg/m3) bem como de exposição ao gás (587 ± 82mg/m3) para três horas de uso em uma cozinha hipotética, quando comparado aos dados de dois fogões referência (MACHADO et al., 2014). Um dos fogões referência apresentou menores valores que o protótipo proposto, sendo Cmáx = 153 ± 13mg/m3, Cmédio = 123 ± 10mg/m3e Emáx = 450 ± 38 h-mg/m3. O fogão a lenha portátil libera quantidade 4% maior de monóxido de carbono (CO) no meio (103,6 g/kg) que os fogões referência (99,4 g/kg) (MACHADO et al., 2014). Em linhas gerais, os resultados aqui obtidos evidenciam o desempenho superior do fogão proposto em termos de eficiência quando comparado com fogões metálicos tradicionais da cidade de Irati, com baixo custo na sua construção e praticidade de uso. Independente do tipo de fogão utilizado, os desta pesquisa e os da cidade de Irati, verifica-se risco à saúde do usuário, com valores de exposição ao monóxido de carbono, presente na fumaça no interior das cozinhas das casas, em torno de 83% acima do limite estipulado pela OMS (MACHADO et al., 2014).



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Capítulo 9 PESQUISA 4: PROJETOS DE FOGÕES A LENHA PROPOSTOS POR ALUNOS DE ENGENHARIA FLORESTAL Nas Figuras 9.1 a 9.4 se encontram listados os fogões a lenha propostos por quatro grupos de alunos da disciplina Química da Madeira, do terceiro ano do curso de Engenharia Florestal, ano de 2012. Os detalhes construtivos, com os respectivos materiais utilizados, se encontram expressos em cada figura. Em seguida são apresentados os dados estatísticos de cada fogão.

Madeira: Eucalyptus dunnii, com 8,70 % de teor de umidade. Procedência local. Isolante térmico: cimento e vidro moído. Dados gerais do fogão: 43429,37 cm3 de capacidade, com volume ocupado pelo isolante de 28054,41 cm3 e pela câmera de combustão de 8305,57 cm3 O isolante é constituído por argamassa de cimento e vidro moído (proporção de 1:1) e apresenta densidade de 2,5 g/cm3. Para a estrutura externa, foi empregada conexão do tipo "curva 90°" de 30 cm de diâmetro, utilizada em tubulações de condução de calor para secadores de cereais ou estufas de fumo. A câmara de combustão é composta pelo mesmo tipo de tubulação, porém, com menor diâmetro (15 cm). Possui apoio com material metálico, grelha suspensa para que o oxigênio incida sobre a madeira de baixo para cima, facilitando a convecção das chamas. Figura 9.1 - Fogão (F-G1), proposto por Anderson Janiski, Érica Mayer, Evandro Teleginski, Jey Marinho de Albuquerque, Maicon Antonio Mosquer Veronez.



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Madeira: Pinus taeda, com 5,9% de teor de umidade. Procedência local. Isolante térmico: argamassa de cimento, areia e serragem na proporção de 1:1:2. Dados gerais do fogão: 18515 cm3 de capacidade, com volume ocupado pelo isolante de 13725 cm3 e pela câmera de combustão de 4790 cm3. Possui entrada lateral para excesso de ar (ventoinha de computador). O miniventilador foi   utilizado no início de cada ensaio para acender a lenha do fogão. Figura 9.2 - Fogão (F-G2), proposto por Antenor Luiz Simão de Souza e Tiago Digner.

Madeira: Mimosa scabrella (Bracatinga), com 12,8% de teor de umidade. Procedência local. Isolante térmico: lã de vidro e serragem seca na proporção de 3:7. Dados gerais do fogão: 18515 cm3 de capacidade, com volume ocupado pelo isolante de 10525 cm3 e pela câmera de combustão de 7990 cm3. A lã de vidro é posicionada no entorno da câmera de combustão. Possui entrada de ar lateral adicional na câmera de combustão. Figura 9.3 - Fogão (F-G3), proposto por Carlos Cezar Cavassin Diniz.

Madeira: Pinus taeda, com 5,23 % de teor de umidade. Procedência local. Isolante térmico: mistura de lã de vidro e lã de rocha (no entorno da câmera de combustão) na proporção de 1:2. Dados gerais do fogão: 44674,28 cm3 de capacidade, com volume ocupado pelo isolante de 30734,51 cm3 e pela câmera de combustão de 13939,77 cm3. Figura 9.4 - Fogão (F-G4), proposto por Lucas Zappia Barcik, Wilson Morro Chamilete, Pâmela Caroline Lau e Fernanda Bortolanza Pereira.

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A Tabela 9.1 apresenta os resultados obtidos das propriedades físicas e químicas investigadas dos tipos de fogões avaliados, sendo x , DP e cv a média amostral, o desvio padrão e o coeficiente de variação respectivamente. Nos casos dos fogões, as siglas significam que F-G1 é o fogão do grupo 1, F-G2 o fogão do grupo 2, F-G3 o fogão do grupo 3 e F-G4 o fogão do grupo 4.

Tabela 9.1 - Resultados obtidos dos fogões a lenha metálicos.

x

DP

cv (%)

Eficiência

7,7366

1,2379

16

Potência (W)

206,116

22,6728

11

Massa queimada (kg)

0,19822

0,0119

6

Volume de CO2 (Nm3)

Propriedades

F-G1

F-G2

F-G3

F-G4

0,151657

0,0091

6

3

Volume de CO (Nm )

0,016849

0,0010

6

3

Volume de SO2 (Nm )

0,014752

0,0024

16

Eficiência

6,30502

0,6936

11

Potência (W)

242,601

31,5381

13

Massa queimada (kg)

0,26068

0,0182

7

Volume de CO2 (Nm3)

0,195709

0,0215

11

Volume de CO (Nm3)

0,021743

0,0024

11

Volume de SO2 (Nm3)

0,010517

0,0012

11

Eficiência

10,1525

1,1168

11

Potência (W)

271,92

27,1920

10

Massa queimada (kg)

0,19873

0,0119

6

Volume de CO2 (Nm3)

0,26468

0,0212

8

Volume de CO (Nm3)

0,31071

0,0155

5

Volume de SO2 (Nm3)

0,02341

0,0019

8

Eficiência

3,49745

0,6645

19

Potência (W)

181,29

48,9483

27

0,37218

0,0707

19

3

Volume de CO2 (Nm )

0,291934

0,0555

19

Volume de CO (Nm3)

0,032433

0,0062

19

Volume de SO2 (Nm3)

0,029871

0,0057

19

Massa queimada (kg)



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A Tabela 9.2 apresenta os resultados da análise de variância segundo o teste de Kruskal-Wallis referente aos tipos de fogões avaliados, estando sublinhados os P-valores inferiores a 0,05 (considerados significativos ao nível de confiabilidade 95%). Na Tabela 9.3 os resultados das comparações múltiplas entre postos de Student-Newman-Keuls.

Tabela 9.2 - Resultados da ANOVA e das comparações por Student-Newman-Keuls referentes aos tipos de fogões. Resposta P-valor Eficiência

0,000

Potência

0,000

Massa Queimada

0,000

Volume de CO2

0,000

Volume de CO

0,000

Volume de SO2

0,000

Tabela 9.3 - Agrupamentos do fator tipo de fogão por propriedade física e química. Resposta

F-G1

F-G2

F-G3

F-G4

Eficiência

C

C

B

D

Massa Queimada

CDE

BCD

B

DE

Potência

DE

CD

CD

AB

Volume de CO2

DE

CD

A

AB

Volume de CO

CD

BC

BC

A

Volume de SO2

E

B

C

A

Os resultados da Tabela 9.2 revelam que o fator tipo de fogão foi significativo em todas as propriedades investigadas. Da tabela 9.3, pode-se constatar que o fogão utilizado pelo grupo 3 se mostrou o melhor dentre os avaliados, pois apresentou, em geral, os menores valores dos gases liberados e massa queimada, bem como os maiores valores de eficiência e potência. Na Figura 9.5 se apresenta a variação da eficiência com relação à massa de combustível consumida por todos os fogões a lenha propostos pelos alunos da

116

Química da Madeira no Contexto Energético 

disciplina Química da Madeira, incluindo os fogões melhorados apresentados no capítulo 8.

Eficiência (%)

14 12 10 8 6 4 2 0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Massa Queimada (kg) Figura 9.5 - Variação da eficiência pela variação da massa queimada em relação aos tipos de fogões avaliados.

Na Figura 9.5 se verifica, pelo gráfico da relação entre eficiência e quantidade de lenha queimada na câmera de combustão, tendência de diminuição do consumo de lenha necessária com o aumento da eficiência. Esse resultado indica que fogões mais eficientes consomem menos lenha e, consequentemente, promovem maior economia no uso do combustível.



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Referências AIR QUALITY WOOD COOKING STOVE. 2013. Disponível em:. Acesso em: 23 fev. 2016. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E711-87: Standard test method for gross calorific value of refuse-derived fuel by the bomb calorimeter. West Conshohocken: ASTM, 2004. BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL. Relatório síntese, ano base 2012. 2013. Disponível em: . Acesso em: 24 set. 2013. BERMANN, C. Energia no Brasil: para que? Para quem?. São Paulo: Livraria da Física, 2002. BIOMASS STOVES. Engineering design, development, and dissemmination. 1987. Disponível em:. Acesso em: 3 out 2013. BORGES, T. P. F. Fogão a lenha de combustão limpa. 1997. 121p. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1997. BRAND, M. A. Energia de biomassa florestal. Rio de Janeiro: Interciência, 2010. BRITO, J. O. Expressão da produção florestal em unidades energéticas. In: CONGRESSO FLORESTAL PANAMERICANO, 1, CONGRESSO FLORESTAL BRASILEIRO, 7., 1993, Curitiba. Anais... Curitiba: Sociedade Brasileira de Silvicultura, 1993. p.280-282. BRITO, J. O. O Uso energético da madeira. Estudos Avançados, v. 21, n. 59, p.185–193, 2007. BRITO, J. O.; CINTRA, T. C. Madeira para energia no Brasil: realidade, visão estratégica e demanda de ações. Biomassa & Energia, v. 1, n. 2, p. 157-163, 2004.

118

 

BRYDEN, M. et al. Design principles for wood burning cook stoves.Cottage Grove: ARC/SHELL/PCIA, 2006. CARVALHO JR., J. A.; McQUAY, M. Q. Princípios de combustão aplicada. Florianópolis: Ed.UFSC, 2007. CHEREMISINOFF, N. P. Wood for energy production. Michigan: Ann Arbor Science, 1980. COELHO, J. C. Biomassa biocombustíveis bioenergia. Brasilia: Ministério das Minas e Energia, 1982. CORTEZ, L. A. B.; LORA, E. E. S.; GÓMEZ, E. O. Biomassa para energia. Campinas: Unicamp, 2009. DIAS, L. R. S. Operações que envolvem transferência de calor e de massa. Rio de Janeiro: Interciência, 2009. EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA. Eucaliptos indicados para plantio no estado do Paraná. Colombo: Embrapa, 2006. (Documento 129). FENGEL, D.; WEGENER, G. Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. Berlim: Walter de Gruyter, 1984. GARCIA, R. Combustíveis e combustão industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2002. GOLDEMBERG, J.; VILLANUEVA, L. D. Energia, meio ambiente & desenvolvimento. São Paulo: Edusp, 2003. HELLWIG, M. Basics of the combustion of wood and straw. In:PALZ, W.; COOMBS, J.; HALL, D.O. Energy from biomass: III E. C. Conference. Londres: Elsevier Applied Science, 1982. p.793-798. HILSDORF, J. W. et al. Química tecnológica. São Paulo: Thomson, 2004. HON, D. N. S.; SHIRAISHI, N. Wood and cellulosic chemistry. Nova York: Marcel Dekker, 1991. JENKINS, B. M.; EBELING, J. M. Thermochemical properties of biomass fuels. California Agriculture, v. 39, n. 5/6, p. 14-16, 1985. JOSHI, V.; VENKATARAMAN, C.; AHUJA, D. R. Emissions from burning biofuels in metal cookstoves. Environmental Management, v. 13, n. 6, p. 763772, 1989.

119

 

KAMMEN, D. M. From energy efficiency to social utility: lessons from cookstove design, dissemination and use. In: GOLDEMBERG, J.; JOHANSSON, T. B. Energy as instrument for socio-economic development. New York: UNDP, 1995. LAU, P. C. et al. Evaluation of the efficiency energy of wood stove from Irati Brazilian city. International Journal of Agriculture and Forestry, v. 3, n. 7, p. 267-272, 2013. LE COUTEUR, P.; BURRESON, J. Os Botões de Napoleão: as 17 moléculas que mudaram a história. Rio de Janeiro: Zahar, 2006. LORA, E. E. S.; VENTURINI, O. J. Biocombustíveis. Rio de Janeiro: Interciência, 2012. v.1. MACHADO, G. O. Avaliação da qualidade energética e ambiental de fogão a lenha portátil para a cidade de Irati/PR. Journal of Biotechnology and Biodiversity, v. 5, n. 2, p. 182-193, 2014. MONTEIRO, A. L. F. B. P. A. Ciências do ambiente: ecologia, poluição e impacto ambiental. São Paulo: McGraw-Hill, 1992. NOGUEIRA, L. A. H.; LORA, E. E. S. Dendroenergia: fundamentos e aplicações. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. NORTHCROSS, A. L. et al. Dioxin inhalation doses from wood combustion in indoor cookfires. Atmospheric Environment, v. 49, p. 415-418, 2012. PARIKH, J.; CHANNIWALA, S. A.; GHOSAL, G. K. A Correlation for calculating HHV from proximate analysis of solid fuels. Fuel. v. 84, p. 487-494, 2005. RAGLAND, K. W.; AERTS, D. J.; BAKER, A. J. Properties of wood for combustion analysis. Bioresource Technology, v. 37, n. 2, p. 161-168, 1991. REGUEIRA, T. M. Comparação entre a eficiência de dois modelos de fogão a lenha e seus impactos sobre o desmatamento da caatinga. 2010. 38 p. Monografia (Bacharelado em Ciências Biológicas) - Universidade Federal de Pernambuco, Pernambuco, 2010. RENDEIRO, G. et al. Combustão e gasificação de biomassa sólida: soluções energéticas para a Amazônia. Brasília: Ministério de Minas e Energia, 2008.



120

 

ROCKET STOVE. Disponível em:. Acesso em: 30 ago. 2013. ROSILLO-CALLE, F.; BAJAY, S.; ROTHMAN, H. Uso da biomassa para produção de energia na indústria brasileira. Campinas: Unicamp, 2005. SEIXAS, F.; COUTO, L.; RUMMER, R. B. Colheita de plantios arbóreos de curta rotação para energia. Biomassa & Energia, v. 3, n. 1, p. 1-16, 2006. SETTE JR., C. R.; GEROMINI, M. P.; NAKAJIMA, N. Y. Quantificação de biomassa do tronco de Pinus taeda em plantios com diferentes idades na região de Rio Negrinho-SC. Biomassa & Energia, v. 1, n. 4, p. 343-346, 2004. SJÖSTRÖM, S. Wood chemistry: fundamentals and applications. Londres: Academic Press, 1993. TESTE DE USO MÚLTIPLO DE EUCALIPTOS. Disponível em:. Acesso em: 10 abr. 2012. TILLMAN, D. A. Wood as an energy resource. Londres: Academic Press, 1978. TILLMAN, D. A.; ROSSI, A. J.; KITTO, W. D. Wood combustion. Londres: Academic Press, 1981. TOLMASQUIM, M. T. Fontes renováveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. THE WATER boiling test, version 4.2.2. 2013. Disponível em:. Acesso em: 3 out. 2013. YUTENWI, E. A. et al. Laboratory study of the effects of moisture content on heat transfer and combustion efficiency of three biomass cook stoves. Energy for Sustainable Development, v. 12, n. 2, p. 66-77, 2008. ZHANG, J. et al. Carbon monoxide from cookstoves in developing countries: 1. Emissionfactors. Chemosphere - global change science, v. 1, p. 353 – 366, 1999.



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Universidade de São Paulo