Carvão de Eucalyptus: efeito dos parâmetros da pirólise sobre a madeira e seus componentes químicos e predição da qualidade pela espectroscopia NIR

Abstract

Com a realização do presente estudo procurou-se investigar a influência das características químicas da madeira e os parâmetros de processo na produção do carvão vegetal para siderurgia, bem como propor uma técnica para a predição da qualidade do carvão em escala industrial. Para isso, três estudos interdependentes foram conduzidos no departamento do Cirad-Persyst, em Montpellier/França. Foram realizadas análises termogravimétricas pressurizadas, objetivando conhecer a influência dos parâmetros de pirólise (temperatura: 50°-650°C; pressão: 0,1, 0,5, e 1 MPa e taxa de aquecimento: 5°, 10° e 20°C.min-1) sobre o comportamento térmico da madeira de Eucalyptus e seus componentes químicos (celulose, xilana e lignina). Também foi feita a carbonização da madeira de uma população de 168 híbridos de Eucalyptus urophylla x E. grandis, com 5 anos de idade, cujas características químicas eram conhecidas, como teores de extrativos, lignina Klason, siringil, guaiacil e razão sirigil/guaiacil. A temperatura máxima de carbonização foi de 400°C. O carvão produzido foi submetido à varredura espectral na região do infravermelho próximo (NIR), utilizando-se um espectrômetro Bruker Vector 22/N. Após a obtenção dos espectros, as amostras de carvão foram submetidas à análise química imediata pela norma NBR 8112, quando foram determinados os teores de materiais voláteis (TMV), cinzas (TCZ) e carbono fixo (TCF). As propriedades do carvão produzido foram correlacionadas àquelas da madeira e utilizadas para a calibração dos modelos PLS com os espectros NIR. De acordo com os resultados termogravimétricos, a lignina apresentou a maior contribuição na formação do carvão, seguida da xilana e celulose. A pirólise da celulose foi dependente da pressão, possivelmente devido às reações competitivas envolvidas na sua degradação térmica. O mesmo comportamento foi obtido para a madeira de maneira menos expressiva. A lignina apresentou tendência à relação negativa com o aumento da pressão no intervalo estudado. A taxa de aquecimento proporcionou efeito semelhante na madeira de Eucalyptus e xilana. As propriedades do carvão produzido dos híbridos de Eucalyptus foram coerentes com a literatura, contudo, não foi possível verificar altas correlações entre as características químicas da madeira com as do carvão vegetal produzido nas condições experimentais. A técnica de NIRS se mostrou adequada para a predição do TMV e TCF do carvão vegetal de Eucalyptus. Os modelos selecionados apresentaram coeficientes de determinação da predição de 0,95 para TMV, e 0,96 para TCF.

This study aimed at investigating the influence of the chemical characteristics of wood and parameters of process in the production of charcoal for steel, and proposing a technique for predicting the quality of coal on industrial scale. In order to accomplish this research, three interdependent studies were conducted in the department of Cirad-Persyst in Montpellier, France. Pressurized thermogravimetric analyses were performed in order to know the influence of pyrolysis parameters (temperature: 20°C -650°C; pressure: 0.1, 0.5, and 1 MPa, and heating rate: 5° C, 10°C and 20°C.min-1) on the thermal behavior of Eucalyptus wood and its models of chemical components (cellulose, xylan and lignin). The carbonization of grounded wood was performed for a population of 168 hybrids Eucalyptus urophylla x E. grandis, with 59 months of age, from which the following chemical characteristics were known: rates of extractives, Klason lignin, siringil, guaiacil and the sirigil/guaiacil ratio. The maximum carbonization temperature was 400 °C. The charcoal produced was analysed scanned in the near infrared region (NIR), using a spectrometer Bruker Vector 22/N. After obtaining the spectrum, the charcoal samples were submitted to chemical proximate analysis by the NBR standard 8112, where the volatile matter (TMV), ash (TCZ) and the fixed carbon content (TCF) were determined. The properties of the charcoal produced were correlated to those of wood and used for calibration of models PLS with the NIR spectra. Thermogravimetric results of lignin presented the greatest contribution in the formation of charcoal, followed by cellulose and xylan. The pyrolysis of cellulose was dependent on the pressure, possibly due to competitive reactions involved in its thermal degradation. The behavior was also observed for the wood, although it was less expressive. Lignin showed a negative trend concerning the increased pressure for the range investigated. The heating had a similar effect to the Eucalyptus wood and xylan. The properties of the charcoal produced from the hybrid Eucalyptus were consistent with the literature data, but it could not be verified high correlations between the chemical characteristics of wood and those of charcoal produced in the experimental conditions. The NIRS technique showed to be appropriated for the prediction of TMV and TCF of Eucalyptus charcoal. The models selected had prediction coefficients of 0.95 to TMV, and 0.96 for TCF, respectively.