Como Fazer Carvão Vegetal: 15 Dicas: Carbonização da Madeira (parte 2)

Como Fazer Carvão Vegetal: Teoria da Carbonização da Madeira

Escrito por Daniel Camara Barcellos email: daniel.barcellos@live.com

Neste artigo épico você irá aprender como fazer carvão vegetal e irá se aprofundar na teoria da carbonização da madeira. Clique aqui para acessar o conteúdo épico anterior que dá início a esta série incrível.

Você irá aprender aqui hoje neste artigo sobre

  1. Teoria da carbonização de madeira
  2. Teoria da carbonização – termogravimetria e termodiferenciação
  3. Carbonização da celulose da madeira
  4. Carbonização da hemicelulose da madeira
  5. Carbonização da celulose da madeira
  6. Físico química da carbonização.

Teoria da Carbonização

Este artigo tem o objetivo de apresentar aspectos técnicos práticos de produção de carvão vegetal, mais especificamente na fase de carbonização da madeira, explicando fundamento técnicos importantes. Clique aqui se deseja acessar o curso completo no Meu Negócio Florestal.

Iremos ter um enfoque na carbonização madeira, mas todos os conceitos aqui discutidos são aplicados a outros compostos orgânicos de constituição química similar a madeira.

A carbonização por definição  é um processo químico de combustão incompleta de determinados sólidos quando submetidos ao calor elevado.

Carvão é um subproduto da carbonização

O subproduto desta reação química é chamado de carvão. Chamamos de subproduto pois o principal produto são os gases de carbonização numa relação de 10 kg de “fumaça” para cada kilo de carvão produzido.

Com a ação do calor, a carbonização remove hidrogênio e oxigênio do sólido, de modo que a matéria restante é um composto enriquecido com carbono.

Compostos orgânicos como madeira ou tecido biológico, são exemplos de materiais que podem ser carbonizados.

Carbonização é o resultado de um processo natural que faz o uso do fogo (ou calor) mas de forma controlada com o ar.

Outros aspectos importantes da carbonização da madeira

fornos de baixo custo

A carbonização da madeira pode ser também uma reação deliberada e controlada utilizada na fabricação de certos produtos, como o alcatrão e o licor pirolenhoso.

Estes produtos são obtidos a partir do resfriamento e da condensação da “fumaça” da que podem ter utilidades específicas como aromas e químicos específicos.

O mecanismo de carbonização é a fase precursora da queima normal de certos combustíveis sólidos tais como madeira.

A carbonização da madeira converte o material sólido em gás que na maioria das vezes é imediatamente “queimado” finalizando o processo com a combustão.

Durante a combustão normal, os compostos voláteis criados na fase precursora de carbonização da madeira e ou pirólise são consumidos para as chamas dentro do fogo.

Quando o material já é enriquecido com carbono o o carvão vegetal a combustão pode ser vista perla incandescência vermelha (ou brasas) que queimam sem a presença de chamas.

A carbonização da madeira é um mecanismo complexo

Todo o processo de carbonização da madeira  tem sido alvo de inúmeras pesquisas para conhecimento dos mecanismos e processos que levam à transformação da madeira em carvão.

Quando se coloca uma peça de madeira sob a ação do calor, ocorre a destruição de seus principais componentes, resultando na formação de carvão e diversos outros compostos, dos quais mais de 200 já foram identificados.

Para explicar como ocorre a formação desses componentes, e quais são os mecanismos e reações que acontecem durante a carbonização, têm-se desenvolvido vários modelos.

A carbonização da madeira é um processo que depende do tempo e da temperatura.

Assim, pode-se dizer que a formação de “tiços” durante o processo se dá provavelmente pela não exposição da peça de madeira à temperatura durante um tempo adequado, gerando, assim, zonas não pirolisadas.

O “tiço” é definido então como uma madeira semi-carbonizada.

Entendendo um pouco a madeira

A madeira é um material heterogêneo, de composição química complexa, constituído basicamente de celulose, hemicelulose e lignina.

A natureza utiliza  da celulose para construir as fibras, que constituem a matéria das plantas.

São as fibras de celulose que dão resistência a madeira.

A lignina e as hemiceluloses funcionam como o adesivo que une as fibreas de celulose.

A quantidade de cada componente da madeira varia em função da espécie e tem uma grande variação

No caso do eucalipto a quantidade aproximada de cada estrutura pode ser assim apresentadas

  • Celulose: 45%
  • Hemicelulose: 25%
  • Lignina: 25%
  • Outros: 5%

Termodiferenciação e Termogravimetria na carbonização da madeira

Termogravimetria no carvão

As análises, termogravimétrica e termodiferencial têm sido frequëntemente usadas nos estudos de decomposição térmica da madeira.

Muitos destes estudos são voltados em como fazer carvão vegetal.

Análise termográvimétrica na carbonização da madeira

A análise termogravimétrica mostra como a madeira se comporta quando aquecida.

A termogravimetria permite verificar em que temperatura é iniciada a decomposição térmica e em que faixa de temperatura a decomposição térmica é mais pronunciada.

De forma simples é como se colocássemos uma balança embaixo de um forno e fossemos pesando a madeira a medida que sua temperatura é elevada.

Quanto mais aquecemos a madeira menor será o seu peso.

A massa de madeira é diminuída pela saída de gases e vapores geradas pela elevação da temperatura, processo que acontece com a carbonização da madeira

Análise termodiferencial na carbonização da madeira

A análise termodiferencial torna possível a identificação dos picos e, ou das faixas de ocorrência das reações endotérmicas e exotérmicas do processo.

A reação endotérmica é reação de consumo de energia (calor).

A reação exotérmica é uma reação de liberação de energia (calor).

Na produção de carvão vegetal ocorre estas duas reações em momentos distintos.

As reações endotérmicas ocorrem predominantemente no começo do processo de carbonização da madeira.

As reações exotérmicas ocorrem predominantemente no final do processo de carbonização da madeira.

Esta análise é muito importante para identificar os momentos em que ocorre liberação de energia tornando o processo autossuficiente.

Carbonização da Celulose

celulose

A celulose é o principal componente da madeira e é o composto orgânico mais cimum na natureza.

A celulose (C6H10O5)n é um polímero de cadeia longa composto de um só monômero (glicose), classificado como polissacarídeo ou carboidrato. É um dos principais constituintes das paredes celulares das plantas.

Imagine a celulose como “o tijolo de um muro”, é principal estrutura do muro ou nosso caso da madeira.

A celulose apresenta a mesma estrutura em quase todos os tipos de biomassa, exceto pelo grau de polimerização.

De forma “grosseira”! o grau de polimerização é quantas moléculas de glicose se unem numa única estrutura.

São estruturas compactadas, quimicamente ligadas com forte interação dando uma certa rigidez a celulose.

Carbonizando a celulose da madeira

A celulose é o componente da madeira mais fácil de ser isolado sendo, portanto, o componente mais estudado.

A celulose produz, sob atmosfera de nitrogênio, 34,2% de carvão a 300 oC.

Este resultado, no entanto, decresce vigorosamente com o aumento da temperatura, e a 600 oC a degradação da celulose é quase completa, deixando um resíduo de carvão de somente 5%.

Como o processo de carbonização da madeira ocorre a temperaturas superiores de 300 oC, pode-se concluir que a celulose contribui pouco para a rendimento gravimétrico do carvão vegetal.

A degradação da celulose

Uma forma simples de entender a degradação da celulose é dividir em 04 estágios, onde se pretende mostrar a ocorrência dos principais eventos de maneira mais geral;

  • Primeiro estágio, em que acontece consumo de energia de ativação (até cerca de 260 gruas celsius)
  • Segundo estágio, neste período ocorre vigorosa decomposição com liberação intensa de energia (entre 260-450 graus celsius)
  • Terceiro estágio em que a decomposição continua havendo a volatilização dos produtos formados reduzindo-se a liberação de energia (entre 450-500 graus Celsius)
  • Quarto estágio, evolução dos produtos voláteis mas de forma lenta consumindo agora energia para a produção de gases voláteis. (acima de 500 graus Celsius)

Carbonização das Hemiceluloses da madeira

hemicelulose

As hemiceluloses referem-se a uma mistura de polímeros de hexoses, pentoses e ácidos urônicos, que podem ser lineares ou ramificados, são amorfo e possuem peso molecular relativamente baixo.

A hemicelulose é uma estrutura bem menor que a celulose, são também unidades de glicose ligadas, mas são ramificadas e não taõ rigidas.

Imagine as hemiceluloses como “o chapisco de um muro ou um reboco fraco”.

As hemiceluloses constituem o componente da madeira responsável pela formação da maior parcela de ácido acético.

São estrutura com menor grau de polimerização, enquanto a celulose chega a ter 10.000 unidades de glicose ligadas, a hemicelulose tem em torno de 300 unidades.

Como já mencionado, são mais de 200 compostos que saem da fumaça da carbonização da madeira e o ácido acético é um deles.

A instabilidade da hemicelulose na carbonização da madeira

É o componente da madeira menos estável, devido à sua natureza amorfa.

O fornecimento de calor ao processo produzirá uma mudança brusca no comportamento das hemiceluloses.

Pelo menos no que se refere ao rendimento em carvão, ela sofrerá grandes mudanças com a ação do calor.

Na temperatura de 500 oC o rendimento em carvão é apenas 10%.

Os produtos das hemiceluloses formados a 300 oC, quando submetidos a temperaturas mais altas, irão sofrer mudanças radicais.

Os componentes da hemicelulose se decompõem e volatilizam muito facilmente.

A maior parte dos voláteis das hemiceluloses irão se condensar, formando a maior dos líquidos condensados.

O baixo rendimento em carvão a 500 oC (10% apenas) mostra que as hemiceluloses também contribuem pouco para a formação de carvão no processo de carbonização da madeira.

Importante ressaltar que as hemiceluloses produzem a maior parte dos líquidos e vapores da carbonização da madeira.

Isso acontece porque a destruição da hemicelulose acontece em temperaturas “baixas”, gerando compostos que ao resfriarem se tornam líquidos.

Carbonização da Lignina da madeira

lignina

A lignina não é uma substância pura de composição definida. Ela é um polímero aromático, tridimensional, amorfo, heterogêneo.

Imagine a lignina como “o cimento que une os tijolos de um muro.”

Lignina é uma macromolécula tridimensional amorfa encontrada nas plantas terrestres, associada à celulose na parede celular cuja função é de conferir rigidez, impermeabilidade e resistência a ataques microbiológicos e mecânicos aos tecidos vegetais.

Por causa disso, é muito importante a lignina na carbonização da madeira e produção do carvão vegetal.

Na carbonização da madeira, devido a sua resistência, a lignina permanece no corpo vegetal submetido à temperatura elevada, sendo responsável, portanto, pela massa final do carvão.

A lignina é o componente da madeira de mais difícil isolamento, por isso os estudos relativos ao processo de decomposição são escassos.

Os mecanismos de decomposição da lignina

Os mecanismos de decomposição da lignina não estão bem definidos, devido à sua estrutura relativamente complexa.

A carbonização da lignina provoca a formação de inúmeros compostos.

O comportamento da lignina frente ao processo de carbonização da madeira é o principal responsável pela formação do carvão.

O produto mais importante da decomposição da lignina é o carvão, mostrando a relação entre lignina e rendimento em carvão.

Em temperaturas de 450 a 550 oC se obtém um rendimento em carvão de 55% Esta temperatura é compatível com a temperatura de operação dos métodos de produção de carvão vegetal.

A importância da lignina na carbonização da madeira e na consequente produção de carvão vegetal é algo que deve ser analisado e buscado.

Físico-Química da Carbonização

curva de carbonização

Como explicado anteriormente, o comportamento da madeira ao ser carbonizada pode ser explicado pelo comportamento de seus principais componentes.

Cada um deles participa de maneira diferente gerando diferentes produtos, devido à natureza de sua composição química.

A medição da perda de peso ocorrida com a carbonização da madeira e seus componentes isoladamente é uma técnica de grande importância para identificar as etapas que ocorrem durante o processo de carbonização da madeira.

Dividindo a influencia de cada estrutura

A degradação da celulose se processa rapidamente em um curto intervalo de temperatura – cerca de 50oC, quando alcança temperatura acima de 300 graus celsius

Acima de  – provocando drásticas mudanças no seu comportamento, com a perda de cerca de 77% do seu peso.

As hemiceluloses começam a perder peso em temperaturas próximas a 225oC, sendo o componente menos estável da madeira, uma vez que a sua degradação é quase completa na temperatura de 325oC, perdendo peso continuamente sob a ação do calor.

A lignina é o componente químico da madeira mais importante quando se objetiva a produção de carvão vegetal,

O rendimento gravimétrico do processo está diretamente relacionado com o conteúdo de lignina na madeira.

Esse componente começa a degradar-se em temperaturas mais baixas, a partir de 150oC, ao contrário da celulose e das hemiceluloses, cuja degradação é mais lenta.

A lignina continua perdendo peso em temperaturas superiores a 500oC, dando como resultado um resíduo carbonoso.

As Zonas de Carbonização

Os fenômenos da carbonização pode ser divididos em zonas da seguinte maneira:

  • Zona A: até 200oC, é caracterizada pela produção de gases não condensáveis, tais como vapor d’água, CO2, ácido fórmico e acético. Nesta fase temos natureza endotérmica (grande consumo de energia)
  • Zona B: Compreendida na região de temperatura entre 200 e 280o Nesta zona são produzidos os mesmos gases da Zona A. Neste caso, há diminuição substancial no vapor d’água e aparecimento de CO. As reações que acontecem nesta região são de natureza endotérmica também
  • Zona C: de 280 a 500o A carbonização ocorre por meio de reações exotérmicas. A temperatura a que as reações exotérmicas ocorrem não está bem identificada. Os produtos obtidos nesta etapa são sujeitos a reações secundárias, incluindo combustíveis e alcatrão, CO e CH4.
  • Zona D: acima de 500o Nesta região já existe o carvão. Aqui acontecem várias reações secundárias, catalisadas pelo leito de carbonização.

Uma aproximação da química da madeira

Klason e colaboradores amais de 3 décadas, fizeram a primeira tentativa de elaborar uma equação química para explicar o processo de carbonização à temperatura de 400oC. A equação é a seguinte:

2C42H66O28  ==>  3C16H10O2  + 28H2O + 5CO2 + 3 CO + C28H46O9

Essa equação genérica não contém todos os produtos obtidos na destilação da madeira e, devido ao agrupamento dos condensáveis em um só composto, não permite a identificação das quantidades de alcatrão e de ácido pirolenhoso.

Outros componentes do carvão, como teor de umidade, cinzas e materiais voláteis, tampouco são abordados. O quadro 2, ilustra a evolução da carbonização em termos de produtos obtidos em temperaturas crescentes de carbonização (OLIVEIRA, 1982a).

Quadro – Evolução teórica da carbonização

Parâmetros Secagem Gases oxigenados Início da fase dos hidro-carbonetos Fase dos hidro-carbonetos Dissociação e contração Fase do H2
Temperatura (oC) 150-200 200-280 280-380 380-500 500-700 700-900
Teor de carbono fixo (% B.S.) 60 68 78 84 89 91
GNC (% B.S.)

CO2

CO

H2

Hidrocarbonetos

 

68

30

2

 

66,5

30

0,2

3,3

 

35,5

20,5

6,5

37,5

 

31,5

12,3

7,5

48,7

 

12,2

24,6

42,7

20,5

 

0,5

9,7

80,9

8,9

PCI dos GNC (kcal/m3) 1000 1210 3920 4780 3680 3160

 

Informações Finais

slide9

Sobre o Autor

Daniel Camara Barcellos,é especialista em Energia de Biomassa e tenho estudado a melhor forma de AJUDAR PESSOAS  a projetarem e operarem unidades ecológicas de carvão vegetal.

Engenheiro Florestal formado na Universidade Federal de Viçosa com especialização em Fontes Alternativas de Energia e Mestrado e Doutorado em Energia de Biomassa.

NOS ÚLTIMOS 20 ANOS já ajudou inúmeras empresas e pessoas a desenvolverem e instalarem unidades ecológicas de carvão vegetal

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