Qualidade energética da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus spp. plantados no Estado do Tocantins

Abstract

Resumo: É crucial para o desenvolvimento do setor energético, especialmente no contexto do estado do Tocantins e da indústria siderúrgica brasileira, a realização de pesquisas científicas e o desenvolvimento de tecnologias específicas para a cultura de Eucalyptus spp. adaptadas às condições edafoclimáticas regionais. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a qualidade energética da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus spp. para utilização em indústria siderúrgica no Tocantins. Foram avaliados a madeira de quatro clones, aos dez anos de idade, de Eucalyptus spp. procedentes de uma empresa florestal, localizada no Estado do Tocantins. O teor de umidade, a densidade básica e o poder calorífico superior (PCS), inferior (PCI), útil (Pu), densidade energética (De) e estoque em carbono fixo (ECF), foram determinados. Foram realizadas análises químicas (extrativos, lignina, holocelulose, composição química das cinzas e elementar) e a análise termogravimétrica (TG/DTG). O carvão vegetal foi produzido em forno tipo mufla, a temperatura inicial da carbonização utilizada foi de 150°C e a temperatura final de 400°C, considerando-se uma taxa de aquecimento de 1,4°C/min e tempo total de 7 horas. Os parâmetros utilizados para avaliar o índice de qualidade do carvão vegetal foram rendimentos da carbonização (rendimento gravimétrico em carvão vegetal (Rcarvão), em gases condensáveis (RGC), em gases não condensáveis (RGNC), rendimento em carbono fixo (RCF), rendimento energético (REPCS) e a produtividade energética em carvão vegetal (PVC)) assim como a densidade aparente (Da), composição química imediata e elementar, poder calorífico superior , densidade energética (De) e estoque em carbono fixo (ECF), bem como a análise termogravimétrica (TG/DTG). A análise de variância mostrou que o efeito do material genético foi significativo para os parâmetros avaliados. De modo geral tanto para madeira quanto para o carvão vegetal os quatro clones apresentaram valores satisfatórios. Porém dentre a madeira dos quatro clones estudados, destacou-se a madeira proveniente do CL4, pois apresentou maiores valores médios para densidade básica, teor de lignina total, maior teor de carbono fixo, baixo teor de cinzas, bem como para o poder calorífico superior. Dentre o carvão vegetal da madeira dos quatro clones avaliados, ressalta-se que o carvão vegetal proveniente do CL4 e CL1 apresentaram valores satisfatórios para o rendimento gravimétrico e para produtividade energética da carbonização. O CL3 apresentou-se com valores satisfatórios para o poder calorífico superior e o CL1 para densidade energética e estoque de carbono do carvão vegetal. As análises termogravimétricas (TG/DTG) permitiram compreender a degradação térmica da madeira, identificando estágios críticos de decomposição durante a pirólise. O CL4 apresentou maior estabilidade térmica aos 400°C, portanto obteve maior rendimento gravimétrico, ou seja, com menor perda de massa em comparação com os demais. Por meio da aplicação de análise de agrupamento multivariada destacou os componentes principais que diferenciaram os clones em grupos distintos, considerando propriedades como densidade básica, estoque de carbono e índice de valor combustível. A madeira dos clones de Eucalyptus spp. analisados mostram qualidade energética para substituir fontes não renováveis na siderurgia, alinhando-se a demandas de sustentabilidade e eficiência. Contudo, recomenda-se validação em escala industrial dos parâmetros de carbonização e monitoramento do ciclo de cultivo para garantir equilíbrio entre produtividade e impactos ambientais

Abstract: It is crucial for the development of the energy sector, especially in the context of the state of Tocantins and the Brazilian steel industry, to carry out scientific research and develop specific technologies for the cultivation of Eucalyptus spp. adapted to regional soil and climate conditions. The objective of the present work was to evaluate the energetic quality of wood and charcoal from clones of Eucalyptus spp., for use in the steel industry in Tocantins. The wood of four ten-year-old clones of Eucalyptus spp. from a forestry company, located in the State of Tocantins, were evaluated. The moisture content, basic density and higher calorific value (HCV), lower calorific value (LCV), useful value (UV), energy density (Ed) and fixed carbon stock (FCS) were determined. Chemical analyzes (extractives, lignin, holocellulose, chemical composition of ash and elemental) and thermal thermogravimetric analysis (TG/DTG) were carried out. The charcoal was produced in a muffle furnace, the initial carbonization temperature used was 150°C and the final temperature was 400°C, considering a heating rate of 1.4°C/min and a total time of 7 hours. The parameters used to evaluate the quality index of charcoal were carbonization yields gravimetric yield in charcoal (GYC), in condensable gases (GCG), in non-condensable gases (GNCG), yield in fixed carbon (GYFC), yield (EYFC) and energy productivity in charcoal (EPC) as well as apparent relative density (ARD), immediate and elementary chemical composition, higher calorific value, energy density (Ed) and fixed carbon stock (FCS), as well as such as thermogravimetric analysis (TG/DTG). Analysis of variance showed that the effect of genetic material was significant for the parameters evaluated. In general, for both wood and charcoal, the four clones presented satisfactory values. However, among the wood from the four clones studied, the wood from CL4 stood out, as it presented higher average values for basic density, total lignin content, higher fixed carbon content, low ash content, as well as higher calorific value. However, among the wood from the four clones studied, the wood from CL4 stood out, as it presented higher average values for basic density, total lignin content, higher fixed carbon content, low ash content, as well as higher calorific value. Among the charcoal from the wood of the four clones evaluated, it is worth noting that the charcoal from CL4 and CL1 presented satisfactory values for the gravimetric yield and energy productivity of carbonization. CL3 presented satisfactory values for the higher calorific value and CL1 for energy density and carbon stock of charcoal. Thermogravimetric analyses (TG/DTG) allowed us to understand the thermal degradation of wood, identifying critical stages of decomposition during pyrolysis. Through the application of multivariate cluster analysis, the main components that differentiated the clones into distinct groups were highlighted, considering properties such as basic density, carbon stock and fuel value index. The wood from the analyzed Eucalyptus spp. clones shows energy quality to replace non-renewable sources in the steel industry, aligning with sustainability and efficiency demands. However, industrial-scale validation of carbonization parameters and monitoring of the cultivation cycle is recommended to ensure balance between productivity and environmental impacts