Pellets Casca Eucalipto e Pinus

1. Introdução

A matéria-prima usada para produção de pellets de madeira geralmente inclui toras de pequeno diâmetro de estrutura irregular de madeira, resíduos de extração e processamento como cavaco, serragem e maravalha de madeira. A valorização desse material de biomassa residual subutilizado está ganhando interesse para várias aplicações.

Nesse contexto, seria benéfico buscar matérias-primas alternativas de baixo custo que não tenham sido amplamente utilizadas para atender às crescentes necessidades de matéria-prima (tora e cavaco) da indústria de processamento de pellets, especialmente as altas demandas simultâneas da indústria de papel e celulose e da indústria de aglomerados/placas de fibra/polpa que também utilizam as mesmas matérias-primas.

A necessidade de transformar biomassa em um biocombustível de energia, como pellets, surge do fato de que, em sua forma densificada, a biomassa de madeira peletizada apresenta menor volume e umidade, qualidade consistente e propriedades de maior densidade energética, o que facilita o transporte e o armazenamento, bem como a menor geração de cinza (fuligem) e risco de explosões, permitindo seu uso como matéria-prima em sistemas de conversão de energia menos desafiadores e caros.

Entre os fatores de qualidade mais cruciais que devem ser levados em consideração ao produzir pellets de biomassa está a durabilidade mecânica. A durabilidade mecânica se refere à capacidade dos pellets de tolerar pressão, fricção e choque durante o manuseio e transporte, e constitui um parâmetro importante que afeta muito o transporte e a combustão adequados da biomassa.

De acordo com a norma ISO 17831-1, os pellets caracterizados por durabilidade mecânica superior a 97,5% são considerados apropriados para aplicação residencial. A durabilidade é baseada em fortes forças de adesão entre partículas, que foram atribuídas a temperaturas e pressão de densificação apropriadas, cristalização da matéria-prima, reação química e endurecimento do adesivo ou da lignina após a densificação .

Especificamente, a durabilidade mecânica pode ser afetada por parâmetros relacionados à matéria-prima (composição química, teor de umidade, tamanho de partícula e formulação), bem como ao processo de peletização (tempo de aquecimento, tempo de pressão, pós-tratamentos).

Nas condições elaboradas durante o processo de densificação, a lignina (21%–32% da massa total) apresenta transição vítrea enquanto os extrativos (aproximadamente 2%–25%), como amido e açúcares, podem polimerizar atuando como agentes de ligação naturais.

Além disso, a cristalinidade da celulose pode aumentar, resultando em maior aumento da adesão inter partícula, enquanto as hemiceluloses também podem ter um efeito positivo na peletização da biomassa. Além disso, os extrativos da madeira podem reduzir a resistência à compressão dos pellets, e um aumento do poder calorífico. No entanto, desenvolvemos vários estudos e teste industrial de aproveitamento da casca de pinus e eucalipto para a produção de pellets de madeira.

Anualmente, é elevada a quantidade de casca de eucalipto e pinus na extração e processamento de florestas plantadas. Sendo considerado um passivo ambiental (baixo aproveitamento e risco de queimada). É uma matéria-prima biológica, renovável, de fácil disponibilidade e baixo custo, com propriedades valiosas.

No entanto, a casca de eucalipto e pinus é difícil de ser utilizada nas indústrias de papel e celulose e de aglomerado e painéis devido ao seu alto teor de extrativos, cor escura e menor resistência mecânica. Além disso, o alto teor de cinzas, nitrogênio e enxofre em comparação com a madeira constitui um fator limitante no que diz respeito à sua utilização energética, especialmente em sistemas de queima de pequena escala, onde os problemas relacionados ao alto teor de cinzas são difíceis de gerenciar.

Os extrativos da casca, principalmente os taninos, exibem propriedades adesivas, a colagem da madeira sem qualquer ligante é tecnicamente viável, mesmo através da autoligação da casca, que é atribuída principalmente ao desenvolvimento de ligações físicas e à polimerização dos extrativos da casca sob condições adequadas de temperatura, pressão e tempo. A autoligação pode ser facilitada por altas temperaturas, uma vez que induzem a degradação termoquímica da casca e a produção de compostos que estão prontos para reagir com os extrativos da casca e a lignina. Geralmente, o valor calorífico da casca seca de pinus atinge 17.000–22.000 kJ kg −1 (4,7–6,1 kWhkg −1 ) e é comparável ao da madeira seca.

A incorporação de casca de algumas espécies de madeira como eucalipto e pinus à matéria-prima da mesma espécie de material lenhoso pode aumentar significativamente o valor calorífico dos biocombustíveis produzidos e que proporções otimizadas de madeira-casca poderiam resultar em biocombustíveis de baixo teor de cinzas e qualidade adequada para aplicações comerciais (residenciais e industriais).

Os pellets de casca de pinus e eucalipto que produzimos em experimentos em escala de laboratório demonstraram durabilidade mecânica satisfatória. Um estudo internacional do efeito da casca de pinus na qualidade dos pellets contendo 0, 5, 10, 30 e 100% de casca mostrou que, entre as combinações testadas, os pellets feitos de 100% de casca demonstraram a maior durabilidade mecânica. No estudo, uma proporção de casca de 10% foi considerada ótima, pois corresponde a uma melhoria de propriedades técnicas importantes sem exceder o requisito de teor de cinzas (menos de 0,7%) e uma excelente resistência dos pellets de casca às flutuações de umidade e mudanças dimensionais, bem como maior densidade, em comparação com aqueles feitos de matéria-prima de madeira.

2. Avaliação do teste industrial e laboratorial.

Para os propósitos do teste industrial em laboratório, foi usado um tronco de pinheiro ( Pinus) de 25 anos originário de uma floresta plantada no Estado do Paraná (região de Ponta Grossa) e das cascas de eucalipto do processo de extração de florestas da mesma região. A madeira e as cascas foram separadas manualmente. A madeira e a cascas foram trituradas usando um moinho de martelos e peneiradas para adquirir dimensões de partículas de 0,5–1 mm. Depois, os materiais foram condicionados em uma câmara climática a 20 ± 0,1 °C, 65 ± 1% UR até peso constante. Antes da densificação, o teor médio de umidade dos materiais usados foi determinado de acordo com EN14774-3:2009 e foi encontrado em 21,22% para madeira e 22,99% para casca de eucalipto.

O teor de cinzas dos materiais foi determinado de acordo com ASTM D1102-2001 com média de quatro réplicas. Especificamente, amostras de pelo menos 1 g foram pesadas com precisão de 0,1 mg secos, limpos e pré-pesados e então transferidas para um forno mufla frio com uma taxa de ventilação de cerca de 5 por minuto. As amostras foram aquecidas a 250 °C em 50 min e a temperatura foi mantida constante por 60 min. Na próxima etapa, a temperatura foi aumentada para 580 °C em 60 min e mantida nesse nível por 2 h. Depois, foram transferidos para um dessecador vazio sem tampa por 5 min, seguido por 15 min com a tampa fechada e então pesados.

Para estudar o efeito do teor de casca na qualidade dos pellets de madeira, foram preparadas várias misturas de casca para madeira nomeadamente 0:100, 10:90, 20:80, 30:70, 60:40 e 100:0, respetivamente. As misturas foram homogeneizadas manualmente durante aproximadamente 10 min/mistura. Os materiais acima foram utilizados para a produção de pellets utilizando uma prensa de matriz única em escala laboratorial com um diâmetro de 12 mm e adaptada a uma máquina de ensaio universal hidráulica com uma capacidade de 4 t.

A utilização de uma matriz de pellet única também foi utilizada noutro local para a produção de pellets sob parâmetros de produção controlados. A prensa de pellets utilizada a uma velocidade de 10 mm/min e temperaturas de 80, 100, 120, 140 e 160 °C. A carga de densificação foi de 4 t.

Figura 1. Prensa de matriz única instalada em uma máquina de teste industrial

Imediatamente após a produção de cada pellet (pinus e eucalipto), seu diâmetro, espessura e peso foram medidos usando um paquímetro digital com resolução de 0,01 mm e uma balança com resolução de 0,001 mg. Usando as medições acima, a densidade do pellet também foi calculada e os resultados foram expressos em quilogramas por metro cúbico (kg/m 3 ). Os pellets produzidos foram condicionados em uma câmara climática a 20 ± 0,1 °C, 65 ± 1% UR e seu MC foi determinado de acordo com EN ISO 18134-1.

Após o condicionamento, as dimensões (diâmetro, espessura e peso) foram medidas novamente para avaliar quaisquer alterações dimensionais após o condicionamento.

A durabilidade mecânica é considerada um dos parâmetros mais importantes para avaliar a qualidade do pellet, pois é a indicação ideal do risco de deterioração do pellet e da produção de finos durante o transporte e manuseio. No caso da produção de pellets individuais, a durabilidade mecânica é geralmente avaliada indiretamente por meio da determinação da resistência à compressão radial quase estática dos pellets. Nesta estudo laboratorial, a resistência à compressão radial foi determinada usando a máquina de teste. Até 10 pellets para cada variável foram testados. Cada pellet foi carregado radialmente sob velocidade constante da cabeça de carga e a carga compressiva máxima foi registrada para cada teste.

Figura 2. ( A ) Teste de durabilidade mecânica de amostras de pelotas 100% casca de pinus e eucalipto e ( B ) pelotas destruídas após a conclusão do processo de teste.

O comprimento da amostragem foi de 1,8 mm. Para cada espécime, 4 medições foram realizadas ao longo da espessura dos espécimes nas superfícies curvas de pellets em forma de cilindro e foram calculadas a média. Entre os parâmetros de rugosidade tipicamente determinados, o desvio aritmético médio do perfil ( Ra ) é considerado o mais apropriado para materiais semelhantes e, por esse motivo, foi usado neste teste laboratorial

Figura 3. ( A ) Técnica de ancoragem da amostra-pellets antes do procedimento de medição da rugosidade e ( B ) os quatro caminhos longitudinais de medição da rugosidade da superfície nas superfícies curvas da amostra de pellets.

3. Resultados do Teste Laboratorial de Pellets da Casca de Pinus e Eucalipto

De acordo com os resultados a densidade dos pellets de pinus parece aumentar com o aumento do teor de casca. Esse aumento parece ser potencializado pelo aumento simultâneo da temperatura na faixa de 80 a 160 °C. Portanto, o material da casca de eucalipto parece ter alto potencial para a fabricação de materiais de biomassa de maior densidade (biocombustíveis sólidos, produtos de base biológica, etc.).

Especificamente, entre os tipos de materiais avaliados, os pellets feitos de 100% de casca de pinus sob uma temperatura de densificação de 160 °C demonstraram a maior densidade, enquanto os menores valores de densidade foram registrados por pellets feitos de madeira pura nas temperaturas mais baixas (80 e 100 °C).

O aumento da densidade em materiais peletizados geralmente corresponde a um alto número de partículas que estão próximas umas das outras. Os componentes da casca, incluindo taninos, hemiceluloses, lignina e nanofibras de celulose, são aqueles que contribuem para a maior proximidade e adesão mais forte entre as partículas.

Além disso, a casca é mais sensível à temperatura e pressão do que a madeira devido à quantidade comparativamente grande de produtos químicos amorfos, lignina e extrativos que contribuem para maiores densidades de materiais peletizados. Também deve ser considerado que a casca geralmente tem um teor de umidade ligeiramente maior do que a madeira devido às diferenças na composição química desses material e é bem aceito que a umidade melhora a ligação de materiais peletizados devido à sua influência na temperatura de transição vítrea da lignina.

Figura 4. Densidade em função do teor de casca e temperatura de densificação dos pellets produzidos (mínimos quadrados ponderados pela distância).

O aumento na proporção de casca de eucalipto até 40% resultou em maior resistência à compressão radial, embora um aumento adicional pareça contribuir para uma deterioração da resistência dos pellets.

Este resultado está de acordo com os resultados publicados por Wistara que relataram que a maior durabilidade dos pellets resultou da densificação a 130 °C e uma proporção de casca de 30%. Os pellets feitos de casca de pinus demonstraram a maior durabilidade, enquanto os pellets de serragem apresentaram a menor, mas sem diferenças estatisticamente significativas entre eles.. Este aumento pode ser atribuído à maior concentração de lignina e extrativos da casca pinus em comparação com o material de madeira, exibindo um efeito positivo no mecanismo de coesão durante o processo de densificação.

Figura 5. Resistência à compressão radial em função do teor de casca pinus e da temperatura de densificação dos pellets produzidos (mínimos quadrados ponderados pela distância).

Consequentemente, essas descobertas essenciais do teste industrial de laboratório revelam um alto potencial para utilização de casca de pinus e eucalipto em biocombustíveis sólidos e outros materiais de biomassa densificada. Além disso, a presença de casca em matéria-prima de pellets pode fornecer a oportunidade para pellets de propriedades satisfatórias serem produzidos em temperaturas mais baixas do que aqueles feitos de madeira pura, reduzindo assim o consumo de energia necessário e o custo de produção.

Além disso, a temperatura de densificação parece ser o fator mais importante que influencia a durabilidade mecânica. Temperaturas de densificação de até 100 °C resultaram nos menores valores de resistência à compressão radial entre as variáveis testadas, sem diferenças estatisticamente significativas entre 80 °C e 100 °C. Um aumento na temperatura para 120 °C induziu uma melhor ligação, o que foi evidenciado pelo aumento da resistência à compressão radial dos pellets produzidos.

No entanto, novos aumentos no nível de 140 °C e 160 °C não corresponderam a um aumento adicional na resistência radial. Isso indica que o efeito benéfico de temperaturas de até 120 °C sobre o amolecimento dos materiais densificados é provavelmente equilibrado pela degradação térmica do material que ocorre em temperaturas mais altas.

O nível de pressão aplicado durante a densificação é um fator de influência significativa na durabilidade mecânica dos pellets; no entanto, a pressão aplicada durante a densificação de todos os pellets foi constante (4 toneladas) para permitir que os outros fatores fossem comparados (temperatura de densificação e porcentagem de casca).

Em relação à rugosidade da superfície dos pellets, o uso de casca de pinus resultou em diminuição da média Ra e do desvio padrão. O maior valor médio de rugosidade foi apresentado por pellets feitos de 100% de material de madeira, enquanto o menor valor foi registrado por pellets feitos de 100% de casca.

Além disso, o efeito do fator de temperatura de densificação na rugosidade do pellet parece ser menos forte do que o teor de casca, embora ainda haja um efeito que corresponde aos respectivos efeitos em relação à resistência à compressão radial: o aumento da temperatura de densificação até 120 °C resultou na diminuição da rugosidade, enquanto um aumento adicional para níveis superiores a 120 °C resultou em um aumento na rugosidade do pellet. Este fato indica que as temperaturas mais baixas (abaixo de 120 °C) não são altas o suficiente para desencadear várias reações químicas benéficas na superfície dos produtos densificados, como migração de extrativos, modificação da superfície e transição vítrea da lignina, o que resultaria em uma superfície lisa.

Consequentemente, temperaturas mais altas (acima de 120 °C) provavelmente excederão a faixa de impacto positivo do calor, uma vez que reações de degradação/oxidação térmica, etc., podem ocorrer, levando a um aumento na porosidade da superfície do pellet e resultando em aumento da rugosidade. Uma caracterização completa da composição química na camada superficial dos pellets, bem como uma análise estrutural, provavelmente contribuiria para a interpretação dos resultados acima mencionados.

Figura 6. Ra (esquerda: média e direita: desvio padrão) em função do teor de casca e da temperatura de densificação dos pellets produzidos (mínimos quadrados ponderados pela distância). Os resultados acima referentes aos valores médios de Ra são validados pelos respectivos valores de desvio padrão do mesmo parâmetro.

O aumento do teor de casca, bem como da temperatura, resulta em uma superfície mais homogênea em termos de rugosidade. Os poucos estudos relevantes na literatura revelam que a alta rugosidade da superfície do pellet está correlacionada com menor qualidade dos pellets de madeira, mais especificamente com menor durabilidade mecânica, maior teor de cinzas e menores valores caloríficos, pelo menos para pellets de combustível vendidos no mercado .

Apesar dos resultados acima referentes ao claro efeito positivo do teor de casca de pinus e eucalipto na resistência à compressão radial, bem como na lisura da superfície dos pellets produzidos, sugerem que não há correlação clara entre a rugosidade da superfície e a durabilidade mecânica dos pellets.

Essa descoberta pode levar à conclusão de que as propriedades mecânicas dos pellets são resultado de múltiplos fatores que devem ser avaliados sistematicamente, a fim de compreender profundamente os fundamentos dos mecanismos de ligação durante a densificação. Além disso, a fraca correlação de Ra com os valores de densidade dos pellets produzidos valida a conclusão acima.

De acordo com os resultados no teste laboratorial desenvolvido pela Brasil Biomassa, o teor de cinzas da madeira foi de 0,24%, enquanto o valor correspondente da casca foi de 3,21%. Para eucalipto e de 3,88% para o pinus. Além disso, as misturas de casca e materiais de madeira (serragem) exibiram valores correspondentes de teor de cinzas, conforme esperado. O teor de casca e o teor de cinzas parecem estar fortemente correlacionados.

Valores médios de teor de cinzas das categorias de materiais consideradas (relação casca/madeira).

Casca/Madeira Razão

0:100

20:80

40:60

60:40

80:20

100:0

Teor de cinzas (%)

0,24

1.24

2.23

3.22

4.21

5.21

De acordo com a ENPlus (ISO 18122), os valores limite de teor de cinzas para as classes A1, A2 e B de pellets destinados ao uso residencial são 0,7%, 1,2% e 2%, respectivamente. Os pellets aprovados para uso industrial são certificados como classe I (grau industrial) e o respectivo valor limite de teor de cinzas é 3%.

Neste contexto, apenas os pellets que são puramente feitos de madeira de pinus ou aqueles com baixo teor de casca ser usados como matéria-prima para a produção de pellets de qualidade premium classe (A1). Os pellets feitos de até 20% de casca podem ser classificados como A2; para cumprir o requisito para a classe B, os teores de casca devem estar na faixa de 20% a 36%.

Em relação ao uso industrial, o teor de casca pode estar na faixa de 36% a 56%, enquanto proporções de casca maiores que 56% podem ser usadas como matéria-prima na produção de biocombustíveis sólidos, para uso em caldeira industrial.

Lerma-Arce relataram que é possível obter pellets de alta qualidade, em termos de teor de cinzas, bem como durabilidade mecânica, densidade aparente, poder calorífico, teor de umidade, etc., a partir de toras e galhos descascados de espécies de pinus nos quais foram registrados teores de casca de 8,76% e 11,43%, respectivamente.

As descobertas do estudo industrial e de laboratório implicam que o resíduo das cascas de eucalipto e pinus, abundante na extração florestal e do processo mecânico da madeira podem ser utilizados na produção de biocombustíveis sólidos de alto valor agregado como os pellets, especialmente por meio do exame das propriedades e do potencial de cada espécie individualmente, bem como por meio da otimização da proporção madeira-casca de matérias-primas de biocombustíveis sólidos. Dessa forma, novas oportunidades sem dúvida se abrem para os empreendedores que pretendem em produzir pellets com uso da casca de pinus e de eucalipto.

4. Conclusões

As principais conclusões do estudo e dos testes industriais são resumidas a seguir:

O uso de casca de eucalipto e de pinus como matéria-prima para a produção de pellets de madeira resultou em pellets mais suaves e moderadamente mais densos, que também demonstraram maior resistência mecânica do que aqueles feitos de madeira pura. De fato, o aumento da proporção de casca resultou em melhoria adicional das propriedades acima. A presença de casca na matéria-prima de pellets pode fornecer a oportunidade para que os pellets satisfaçam as propriedades a serem produzidos em temperaturas mais baixas do que as da madeira pura, reduzindo o consumo de energia e o custo de produção;

A temperatura ótima de densificação foi de 120 °C, enquanto temperaturas mais baixas ou mais altas resultaram em propriedades inferiores das propriedades produzidas;

Pode-se concluir também que a casca do pinus pode ser considerada como matéria-prima ou aditivo para a produção de biocombustíveis sólidos ou outros materiais densificados, desde que as demais propriedades importantes atendam aos requisitos técnicos correspondentes para cada aplicação;

A rugosidade da superfície foi fracamente correlacionada com a resistência à compressão radial e a densidade dos pellets produzidos;

Baixos teores de casca de pinus e eucalipto, de até 11,3%, 20% e 36%, podem garantir a produção de pellets de combustível que atendem aos requisitos de qualidade das classes A1, A2 e B, respectivamente, todos correspondentes ao uso residencial.

Celso Oliveira

Presidente da Associação Brasileira das Indústrias Biomassa e Energia Renovável

Diretor Brasil Biomassa Consultoria Engenharia Tecnologia

Diretor Instituto Brasileiro Pellets

Fone Whats Brasil Biomassa (41) 998173023 ou Fone Consultoria (41) 996473481

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