Caracterização e Preparo da Biomassa Visando seu Aproveitamento Energético

5/17/2018 Caracterização e Preparo da Biomassa Visando seu Aproveitamento Energético - slidepdf.com

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Santo André, fevereiro de 2011



Sumário

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SUMÁRIO

1 RESUMO DAS ATIVIDADES DESENVOLVIDAS................................................3

2 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 4

3 OBJETIVOS ................................................................................................................. 6

3.1 OBJETIVO GERAL .....................................................................................................63.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................................................6

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................7

4.1 ARROZ E SEUS SUBPRODUTOS ..................................................................................74.2 PROPRIEDADES E UTILIZAÇÃO DA CASCA DE ARROZ ................................................8 4.3 CINÉTICA DE SECAGEM.........................................................................................104.4 BRIQUETAGEM DA BIOMASSA..............................................................................13

4.5 RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS BRIQUETES............................................................135 MATERIAL E MÉTODOS.......................................................................................15

5.1 MATÉRIA-PRIMA....................................................................................................155.2 CARACTERIZAÇÃO DA CASCA DE ARROZ................................................................155.3 COMPOSIÇÃO QUÍMICA IMEDIATA..........................................................................15

5.3.1. Umidade............................................................................................................145.3.2 Voláteis..............................................................................................................145.3.3 Cinzas................................................................................................................155.3.4 Análise granulométrica .................................................................................... 16 5.3.5 Densidade aparente .......................................................................................... 17

5.3.6 Densidade real.................................................................................................. 17 5.3.7 Poder calorífico superior ................................................................................... 16 5.4 UMIDIFICAÇÃO DA CASCA DE ARROZ .....................................................................185.5 ENSAIOS DE SECAGEM ...........................................................................................185.6 REDUÇÃO DE TAMANHO DA CASCA DE ARROZ .......................................................19 5.7 COMPACTAÇÃO DA CASCA DE ARROZ..................................................................205.8 ENSAIOS DE COMPRESSÃO DOS BRIQUETES.........................................................21

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 21

6.1 CARACTERIZAÇÃO DA CASCA DE ARROZ ANTES DA MOAGEM ................................216.1.1 Casca de arroz in natura..................................................................................21

6.1.2 Casca de arroz com diferentes níveis de umidade ...........................................22 6.2. CARACTERIZAÇÃO DA CASCA DE ARROZ APÓS A MOAGEM....................................226.3 ENSAIOS DE SECAGEM..........................................................................................266.4 COMPACTAÇÃO DA CASCA DE ARROZ.................................................................326.5 ENSAIOS DE COMPRESSÃO DOS BRIQUETES.........................................................41

7 CONCLUSÕES...........................................................................................................43

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 45



Resumo das atividades desenvolvidas

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RESUMO

O desenvolvimento tecnológico a que o mundo assistiu nas últimas décadas foi alavancadopelo uso indiscriminado de combustíveis de origem fóssil. Hoje, a população sente osreflexos desse crescimento, como a escassez do petróleo e as mudanças climáticas globais.Autoridades de todo o mundo buscam por soluções rápidas e eficientes para esse problema.O uso da biomassa como combustível ou como fonte para conversão energética é hoje umadas principais alternativas à utilização dos combustíveis fósseis. Nesse contexto, oaproveitamento energético de resíduos agrícolas e agroindustriais é uma possibilidade deuso da biomassa como fonte de energia sem, no entanto, competir com a área plantada parao cultivo de alimentos. Embora muito se fale a esse respeito, o uso desses resíduos emprocessos de conversão energética é pouco difundido e, muitas vezes, feito de maneiraaleatória. O conhecimento das propriedades físicas, químicas, termodinâmicas e detransporte da biomassa é de fundamental importância para o dimensionamento dosequipamentos e para a definição das condições de processo, visando um aproveitamentoenergético com a máxima eficiência possível. Dessa maneira, o objetivo global desseprojeto foi o de estudar a viabilidade do aproveitamento energético da casca de arroz emprocessos de conversão termoquímica, por meio da determinação de suas propriedadesfísicas quando submetidas a diferentes condições de pré-processamento, bem como o efeitodessas propriedades sobre o processo de compactação.



Resumo das atividades desenvolvidas

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1 RESUMO DAS ATIVIDADES DESENVOLVIDAS

Nesse trabalho, foi feito um estudo do efeito da umidade e da granulometria dacasca de arroz sobre a produção de briquetes.

Para atingir os objetivos do trabalho, as seguintes atividades foram desenvolvidas:

As atividades já desenvolvidas nesta etapa do projeto foram:

• Determinação da composição imediata da casca de arroz;

• Determinação do poder calorífico da casca de arroz;

• Estudo das curvas de secagem da casca de arroz in natura às temperaturas de 50, 70

e 90°C;• Ajuste das curvas de secagem ao modelo de Fick;

• Ensaios de redução de tamanho;

• Caracterização da casca de arroz in natura e moída com diferentes níveis deumidade: densidade real, densidade aparente, granulometria;

• Ensaios preliminares de compactação;

• Ensaios de compactação;

• Ensaios de compressão.

A determinação da composição química imediata, elementar e do poder calorífico dacasca de arroz in natura não foram feitas na UFABC, pois esta universidade não conseguiucomprar os equipamentos necessários. Essas análises foram feitas no IQ/USP, porém,devido a alguns problemas, os resultados da análise elementar não foram disponibilizados atempo de serem apresentados nesse relatório.

Os ensaios de redução de tamanho, compactação e compressão foram realizadas naFeagri/Unicamp, pois na UFABC não existiam moinhos de facas ou martelos, e as prensasnão apresentavam capacidade de carga suficientemente elevada para a realização dacompactação e compressão.

As demais das atividades foram realizadas nos laboratórios da UFABC.

Uma versão parcial dos resultados desse projeto foi apresentada no III Simpósio deIniciação Científica da UFABC em novembro de 2010 recebendo a premiação de melhortrabalho de iniciação científica no eixo de energia. O informativo de divulgação científicada UFABC (PesquisABC) entrevistou o orientado e a orientadora após a premiação (aedição está disponível em: http://propes.ufabc.edu.br/revista/PesquisABC_ed1.pdf , acessoem 03/02/2011).



Introdução

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2 INTRODUÇÃO

Segundo dados do Balanço Energético Nacional do ano de 2008 (MME, 2009), aprodução de energia primária no Brasil atingiu 236,5 milhões de tep, dos quais 39,7%foram oriundos do petróleo e 48,4% de fontes renováveis, sendo 31,4% de biomassa. Em2008 houve um aumento de 6,96% da produção de energia primária oriunda da biomassaem relação ao ano anterior. Esses dados mostram que o Brasil tem plenas condições deassumir a liderança mundial do aproveitamento energético da biomassa.

A sustentabilidade do uso de biomassa, todavia, requer um manuseio cuidadoso econsciente dos recursos naturais, para evitar desequilíbrios ambientais e destruição deecossistemas. O reaproveitamento energético de resíduos vegetais gerados a partir de várias

atividades agroindustriais pode ser uma forma de reduzir a pressão sobre recursos naturaisdiretamente explorados como fonte de combustíveis (FILIPPETO, 2008).

O aproveitamento direto da biomassa em processos de conversão termoquímica,embora seja ainda a forma mais utilizada para aproveitamento energético de resíduosagrícolas e agroindustriais, apresenta algumas desvantagens. Os resíduos vegetais possuembaixa densidade e geralmente se encontram sob a forma de pó, o que dificulta o seutransporte, manuseio e armazenamento. Outro aspecto que dificulta a combustão direta dosresíduos agrícolas e agroindustriais é o seu elevado teor de umidade. Segundo Srivastava,Maheshwari, Ohia (1995) citados por Filippetto (2008), 18 a 20% do calor gerado nacombustão é consumido para secar a própria biomassa, fazendo com que a mesma percagrande parte do seu potencial energético (FILIPPETTO, 2008).

Filippetto (2008) ressalta que a compactação da biomassa sob a forma de briquetespode ser uma solução para alguns desses problemas. O processo de briquetagem consiste naaplicação de pressão em uma massa de partículas dispersas, com o objetivo de torná-las umsólido geométrico compacto de alta densidade.

Diversos fatores afetam a qualidade final do produto compactado. Diferentescombinações de condições operacionais e modos de operação são possíveis na prática eresultam em produtos finais com diferentes características. A temperatura e a pressão doprocesso são fatores cruciais nas características do produto final. A combinação de elevadastemperaturas e pressões pode provocar a ativação de compostos ligantes naturalmentepresentes na biomassa, como é o caso da lignina, que amolece em temperaturas entre 100 e190°C, agindo como uma cola entre as partículas (FILIPPETTO, 2008).

Simultaneamente, as propriedades da biomassa também interferem nascaracterísticas do briquete. Dentre as propriedades mais importantes, pode-se destacar otamanho de partícula, o teor de umidade e a densidade.

A umidade facilita a transferência de calor interna durante a compactação e éessencial para o amolecimento da lignina. Ao mesmo tempo, o excesso de umidade podeprovocar explosões durante o processo de compactação, provocadas pela formação devapor. Segundo Lequeux, Carre, Lavrosse (1998) citados por Silva (2007), o máximo teorde umidade permissível, dependendo do processo, encontra-se na faixa de 10 a 20%(SILVA, 2007).



Introdução

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Bhattacharya (2004) elencou uma série de vantagens para o processo decompactação da biomassa. Dentre elas, pode-se destacar o aumento do poder calorífico domaterial por unidade de volume e a maior facilidade nos processos de transporte eestocagem. Dentre as desvantagens, destacam-se os gastos de energia no processo.

Sendo assim, o objetivo principal desse trabalho é realizar um estudo da viabilidadedo aproveitamento energético da casca de arroz em processos de conversão termoquímica,por meio da determinação de suas propriedades físicas quando submetidos a diferentescondições de pré-processamento, para posteriormente avaliar o efeito das propriedadesfísicas do material sobre o processo de compactação.

Nessa primeira etapa, o objetivo trabalho foi determinar a composição imediata dacasca de arroz in natura; realizar ensaios de secagem a diferentes temperaturas visando adeterminação de curvas de secagem; realizar a moagem e determinar o efeito da umidade eda granulometria sobre as propriedades físicas da casca de arroz.

Esse projeto foi desenvolvido em parceria com a Faculdade de Engenharia Agrícolada Universidade Estadual de Campinas, com a participação do Prof. Kil Jin Park e do Dr.Rafael Augustus de Oliveira. Nessa instituição, foram desenvolvidos estudos paralelos,visando o aproveitamento energético do bagaço de cana-de-açúcar.



Objetivos

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3 OBJETIVOS

3.1 Objetivo geral

O objetivo principal desse trabalho foi realizar um estudo da viabilidade doaproveitamento energético da casca de arroz em processos de conversão termoquímica, pormeio da determinação de suas propriedades físicas quando submetida a diferentescondições de pré-processamento, para posteriormente avaliar o efeito das propriedadesfísicas do material sobre o processo de compactação.

3.2 Objetivos específicos

Os objetivos específicos desse trabalho foram:

• caracterizar a casca de arroz in natura de acordo com a análise imediata,densidade real, poder calorífico, densidade aparente e granulometria;

• determinação de curvas de secagem a diferentes temperaturas;

• estudar a cinética de secagem da casca de arroz de acordo com o modelo deFick;

• estudar o efeito da umidade sobre as propriedades físicas da casca de arroz,para diferentes níveis de moagem;

• fazer um levantamento do comportamento da compactação da casca variando-se o teor de água e tamanho das partículas;

• avaliação da compactação da casca em função dos parâmetros operacionais doprocesso de fabricação, como: umidade, granulometria, grau de compactaçãoe/ou taxa de aplicação da pressão.



Revisão Bibliográfica

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4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 Arroz e seus subprodutos

O arroz é terceiro cereal mais produzido do mundo, perdendo apenas para o trigo epara o milho. Sua área de cultivo intensivo é relativamente restrita, embora seja o alimentobásico de cerca de metade da população mundial (CONAB, 2010).

De acordo com os dados da CONAB (2010), a área cultiva com arroz na safra2009/2010 deve ficar em 2,83 milhões hectares, variando -2,6% em relação à área cultivadana safra 2008/2009, que foi de 2,91 milhões hectares.

O arroz em casca pode ser dividido de uma maneira simplificada em três partes:casca, farelo e grão (Figura 1).

Figura 1 - As três principais partes do arroz em casca (Fonte: JOSAPAR, 2008)

A casca representa o maior volume entre os subprodutos obtidos durante obeneficiamento do arroz, chegando, em média, a 20%. O farelo representa cerca de 8% dobeneficiamento do arroz, sendo uma das partes mais nutritivas do grão. O farelo, da formacomo é conhecido comercialmente, é formado pelo farelo propriamente dito, pelo germe epela camada de aleurona, o que explica o seu alto valor nutritivo. O grão propriamente dito,também chamado de miolo, é formado basicamente pelo endosperma amiláceo, que é aparte mais consumida do cereal, representando cerca de 72% deste (NITZKE, 2004).

O beneficiamento do arroz é o processo de transformação do produto que vem da

lavoura até o grão usado para consumo alimentício. As principais etapas do beneficiamentodo arroz (Figura 2) compreendem o descascamento (no qual se extrai cerca de 20% decasca), a brunição e o polimento (em que são retirados, parcial ou totalmente, o embrião e amaior parte da película que recobre o grão). Dessa etapa, resulta o farelo que representaaproximadamente 8% do volume do produto em casca. Após, ocorre a etapa de separaçãodas frações de grãos quebrados (14%) e inteiros (58%) (CASTRO et al, 1999).




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Figura 2 - Beneficiamento do arroz em casca com as proporções aproximadas

de seus produtos e subprodutos (Adaptado de CASTRO et al, 1999)

4.2. Propriedades e utilização da casca de arroz

A casca de arroz pode ser utilizada para várias finalidades, porém, o aproveitamentoem processos de conversão energética destaca-se como uma das suas principais aplicações(NITZKE, 2004). Como propicia temperaturas de até 1000°C, pode ser utilizada naalimentação de fornalhas de secadores e das autoclaves da própria indústria arrozeira.Como sua densidade é baixa, seu transporte torna-se problemático e, por essa razão, ela

pode ser transformada em briquetes que aumentam significativamente sua densidade.De acordo com Mayer et al (2006), a utilização de casca de arroz, resíduo de

biomassa vegetal que apresenta 3200 kcal/kg de poder calorífico inferior, pode trazervantagens econômicas agregando valor ao arroz produzido. O aproveitamento energético dacasca de arroz pode ocorrer de diversas maneiras. A combustão direta e a densificação dacasca de arroz são as principais formas de aproveitamento por serem economicamenteviáveis. As cinzas provenientes da combustão da casca de arroz podem ser utilizadas emdiversos ramos industriais, tais como eletrônica, construção civil, cerâmica, indústriaquímica e fabricação de células fotovoltaicas. Outra possibilidade é a conversão da casca dearroz em outras formas de combustível, como o etanol ou o biogás, por exemplo, por meiode processos bioquímicos. Essa conversão pode ainda ser realizada por meio de processos

termoquímicos, como a pirólise, a liquefação, a gaseificação ou a própria combustão(MAYER et al, 2006). A Figura 3 ilustra algumas possibilidades de aproveitamentoenergético a partir da casca de arroz.




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Figura 3 - Processos de conversão energética da casca de arroz (MAYER, 2006)

Devido à grande quantidade de sílica encontrada em sua composição (cerca de 95%do total de cinzas da casca de arroz é formado por este composto) a casca de arroz pode serutilizada na fabricação de sabões abrasivos. Também pode ser empregada na fabricação delixas e no polimento de gemas de pedras semipreciosas (SKORONSKI et al, 2007;FOLETTO et al, 2005; NITZKE et al, 2004).

Mansaray & Ghaly (1997) citados por Angulo (2002) analisaram as propriedadesfísico-químicas da casca de arroz e chegaram aos resultados apresentados nas Tabelas 1, 2 e3, que possuem algumas informações adicionais apresentadas por Mayer (2006).

Tabela 1 – Propriedades físicas da casca de arroz. (Fonte: Adaptado de Mansaray & Ghaly, 1997citados por Ângulo, 2002)

Umidade 9,08%

Densidade aparente 0,092 g/cm³

Poder caloríficosuperior

16,72 MJ/kg




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Tabela 2 – Analisa imediata da base seca da casca de arroz. (Fonte: Adaptado de Mansaray & Ghaly,1997 citados por Ângulo, 2002)

Material volátil 66,40%

Carbono fixo 10,20%

Cinza 23,40%

Tabela 3 – Analise elementar da base seca da casca de arroz. (Fonte: Adaptado de Mansaray & Ghaly,1997 citados por Ângulo, 2002)

C 37,40%

H 5,43%

O 33,20%

S 0,03%

N 0,38%

Cl 0,01%

Cinza 20%

4.3. Cinética de secagem

A secagem é empregada visando diversas finalidades. Para os produtos agrícolas ealimentícios é empregada principalmente na preservação, permitindo também o transporte eo armazenamento sem refrigeração. A perda de massa que ocorre quando um produto éseco, diminui consideravelmente os custos de transporte e manuseio (PINEDO, 2003).

Para o presente trabalho, a secagem é importante devido à umidade da biomassainterferir diretamente nas características do briquete formado. A umidade facilita atransferência de calor interna durante a compactação e é essencial para o amolecimento dalignina. Ao mesmo tempo, o excesso de umidade pode provocar explosões durante oprocesso de compactação, provocadas pela formação de vapor. Segundo Lequeux, Carre,Lavrosse (1998) citados por Silva (2007), o máximo teor de umidade permissível,

dependendo do processo, encontra-se na faixa de 10 a 20% (SILVA, 2007).A aplicação do calor promove a evaporação de água dos tecidos vegetais. Na

secagem de um produto sólido ocorrem simultaneamente fenômenos de transferência decalor e massa (conforme esquematizado na Figura 4). A transferência de calor, necessáriapara evaporação da umidade, é geralmente baseada no mecanismo de convecção. Quanto àtransferência de massa, existem dois aspectos importantes a ser considerados: o transporteda água no interior do sólido a ser seco até a superfície e a remoção do vapor a partir damesma (NICOLETI, 2005; PINEDO, 2003).




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Figura 4 - Esquema do processo de secagem de material sólido (TEIXEIRA, 1995)

De acordo com Nicoleti (2005), a processo de secagem pode ser dividido em trêsfases distintas:

1° Fase - Aquecimento do material até a temperatura de secagem: a elevação datemperatura causa um rápido aumento na taxa de secagem;

2° Fase - Período de taxa constante: a velocidade de transferência de massa nointerior do sólido é igual à velocidade de evaporação da água na superfície do mesmo;

3° Fase - Período de taxa decrescente: a velocidade de transferência de massa nointerior do sólido é menor que a taxa de evaporação na superfície; ocorre a elevação datemperatura do produto.

As diferentes fases de um processo de secagem, baseadas na transferência de calor emassa, são ilustradas pela Figura 5.

Figura 5 – Curvas típicas de secagem (PARK et al, 2001)




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Na Figura 5, curva (a) representa a diminuição do teor de água do produto durante asecagem, conteúdo de umidade do produto em base seca (X), em relação à evolução dotempo de secagem (t), isto é, é a curva obtida pesando o produto durante o processo numadeterminada condição de secagem. A curva (b) representa a velocidade (taxa) de secagemdo produto, variação do conteúdo de umidade do produto por tempo, dX/dt em relação àevolução do tempo (t), isto é, é a curva obtida diferenciando a curva (a). A curva (c)representa a variação da temperatura do produto durante a secagem (variação datemperatura do produto (T) em relação à evolução do tempo t), isto é, é a curva obtidamedindo a temperatura do produto durante a secagem (PARK et al, 2001).

O período de taxa decrescente de secagem é quase sempre o único observado para asecagem de produtos agrícolas e alimentícios. A complexidade dos fenômenos de secagemconduz os pesquisadores a proporem numerosas teorias e múltiplas fórmulas empíricas parapredizerem a taxa de secagem. Segundo OLIVEIRA (2004), a teoria difusional apóia-se

exclusivamente sobre a lei de Fick, que expressa que o fluxo de massa por unidade de áreaé proporcional ao gradiente de concentração de água. Utilizando a lei de Fick na equação debalanço de massa de água no interior do produto, obtém-se ara o caso de secagem emsistemas de coordenadas cartesianas, com direção unidirecional em uma placa de espessura2L:

(1)

onde X é o teor de umidade no tempo (g H2O/g sólido), Def é a difusividade efetiva demassa (m²/s), z é a variável espacial (m) e t é o tempo (s). A condição inicial associada aEq. (X) é: X(z,0) = Xo, na região 0 < z < L e t = 0, onde Xo é o teor de umidade inicial (g

H2O/g sólido) e L é o comprimento característico, meia espessura da casca (m). Nasuperfície do produto (z = L) a condição de contorno de umidade fixa é considerada: X(L,t)= Xeq, em z = L e t = ∞, onde Xeq é o teor de umidade de equilíbrio (g H2O/g sólido).Considerou-se no centro do produto a condição de contorno de simetria ou teor de umidademáxima: d(X(0,t))/dz = 0, em z = 0, t > 0.

(2)

Aplicando-se a Equação 2, tem-se a solução:

(3)

A constante de secagem (k) é definida pela equação 4, dado em s -1:

(4)

Substituindo a equação (4) em (3), tem-se a equação de Fick com Y em funçãoapenas de k.




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4.4. Briquetagem da biomassa

O processo de briquetagem da biomassa é feito por meio da aplicação de pressão emuma determinada quantidade de partículas dispersas visando torná-las um sólido compactode alta densidade com geometria previamente definida por um molde, geralmentecilíndrico.

Diversos fatores afetam a qualidade final do produto compactado. Diferentescombinações de condições operacionais e modos de operação são possíveis na prática eresultam em produtos finais com diferentes características. A temperatura e a pressão doprocesso são fatores cruciais nas características do produto final. A combinação de elevadastemperaturas e pressões pode provocar a ativação de compostos ligantes naturalmentepresentes na biomassa, como é o caso da lignina, que amolece em temperaturas entre 100 e190 °C, agindo como uma cola entre as partículas (FILIPPETTO, 2008). De acordo comPAULA (2006), o processo de compactação a elevadas pressões provoca um aumento natemperatura da amostra na ordem 100 °C, elevação que torna a temperatura suficiente paraa lignina sofrer plastificação e atuar como aglutinante das partículas da biomassa.

De uma maneira geral, as variáveis principais no resultado final da compactaçãosão: temperatura, pressão, teor de umidade, morfologia e tamanho das partículas. Já osmecanismos físico-químicos que permitem a ligação entre as partículas dos resíduoscompactados são o entrelaçamento entre partículas e a ação de aglutinantes.(CHRISOSTOMO, 2010).

A briquetagem pode ser realizada com ou sem agente aglutinante. Segundo PAULA(2006), quando a compactação é feita sem aglutinante, seu sucesso depende da forma comoa deformação plástica das partículas dispersas ocorrem. Quando é necessário a utilização deaglutinantes as substâncias geralmente utilizadas são: amido, melaço de cana, licor sulfítico(subproduto da fabricação do papel), pixe de petróleo e o alcatrão de carvão vegetal oumineral (PAULA, 2006).

4.5. Resistência mecânica dos briquetes

Ensaios mecânicos de tração e compressão são frequentemente utilizados para

determinar o comportamento e a resistência mecânica dos materiais. Tais ensaios sãoaplicados com o intuito de determinar propriedades como a tensão de falha ou dedeformação específica de falha dos materiais. Outra determinação bastante comum é a docomportamento mecânico do material ensaiado em gráficos tensão-deformação específica(σ x ε), de onde se pode obter, entre outros parâmetros, o módulo de elasticidade, E, domaterial (PACHECO, 2009).

O gráfico obtido nos ensaios de compressão de um material elástico linear édividido em duas regiões distintas: deformação elástica e deformação plástica. Adeformação elástica é a deformação temporária. Ela é totalmente recuperada quando acarga é removida. A região elástica corresponde à parte linear inicial da curva tensão-




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deformação. A deformação plástica é a deformação permanente. Ela não é recuperadaquando a carga é removida, embora um pequeno componente elástico seja recuperado. Aregião plástica é a parte não-linear gerada quando a tensão total excede seu limite elástico(SHACKELFORD, 2008).

A inclinação da curva de tensão-deformação na região elástica é o módulo deelasticidade também conhecido como módulo de Young. Este módulo representa a rigidezdo material, ou seja, sua resistência a deformação elástica (SHACKELFORD, 2008).



Material e Métodos

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5. MATERIAL E MÉTODOS

5.1. Matéria-prima

A matéria-prima utilizada nas análises desse projeto foi a casca de arroz, fornecidapor um pequeno produtor rural da região de Elias Fausto - SP.

5.2. Caracterização da casca de arroz

Quando se utiliza algum material como combustível em processos termoquímicosdevem-se caracterizar as propriedades físico-químicas que possam fornecer informaçõessobre o comportamento do material. Embora, as propriedades da casca de arroz de vários

tipos já estejam publicadas por vários autores, achou-se necessário fazer a caracterização dabiomassa utilizada para estes experimentos a fim de comparar com os trabalhos daliteratura.

A biomassa foi caracterizada laboratorialmente através das seguintes análises:

• Composição química imediata (umidade, voláteis, carbono fixo e cinzas);

• Composição química elementar (C, H, O, S, N, Cl);

• Análise granulométrica;

• Densidade aparente;

•

Densidade real;• Poder calorífico superior.

5.3. Composição química imediata

Foi realizada seguindo as normas ASTM D 1102-84 e ASTM E 872-82.

5.3.1. Umidade

Primeiramente, foi realizada a secagem dos cadinhos de alumínio. Para tal, cincocadinhos foram levados à estufa com circulação forçada a 105 °C por 10 minutos e, emseguida, esfriados em dessecadores até a temperatura ambiente. Aproximadamente 3 g decasca de arroz foram adicionados em cada um dos cadinhos e levados à estufa comcirculação forçada a 105 °C por 24h, até que atingissem massa constante. O resfriamentodos cadinhos foi realizado em dessecadores. A diferença de massa após a secagem permitiudeterminar a umidade.



Material e Métodos

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5.3.2. Voláteis

Após a análise da umidade, os cadinhos com casca de arroz foram levados até amufla e aquecidos até 950 °C por 3 minutos para permitir a liberação de voláteis. Adiferença de massa após o aquecimento permitiu determinar a porcentagem de voláteis.

5.3.3. Cinzas

Após a análise dos voláteis presentes na biomassa, os cadinhos com casca de arrozforam colocados na mufla por 6 horas a 750 °C para queima do carbono fixo, de modo queo restante da massa fosse composta apenas por cinzas. As amostras foram resfriadas emdessecadores. A diferença de massa após esse processo permitiu determinar a porcentagemde carbono fixo e o remanescente da massa a porcentagem de cinzas.

5.3.4. Análise granulométrica

Casca de arroz in natura:

A análise granulométrica da casca de arroz in natura foi realizada no Laboratório deTecnologia Pós-colheita da FEAGRI/UNICAMP. Foi utilizado um peneirador por agitaçãomecânica (MARCONI), seguindo a norma NBR 7217 (ABNT, 2002). Foram usadas seispeneiras e o fundo, gradualmente posicionadas em ordem crescente com os seguintesMESHs: 6 (3,35 mm), 9 (2,00 mm), 20 (0,850 mm), 32 (0,500 mm), 42 (0,355 mm) e 100(0,150 mm). Foram colocados aproximadamente 100 g de casca de arroz na peneirasuperior (MESH 6), a tampa superior posicionada e então a amostra foi agitada por 5minutos, em potência média. As massas retidas presentes em cada uma das peneiras e nofundo foram medidas e a distribuição granulométrica foi determinada.

Casca de arroz moída:

A análise granulométrica da casca de arroz moída foi realizada nos Laboratórios deEngenharia da UFABC. Foi utilizado o agitador eletromagnético marca CONTENCO. Paraa análise granulométrica do material moído foram utilizadas seis peneiras e o fundo,gradualmente posicionadas em ordem crescente com os seguintes MESHs: 9 (2,00 mm), 28(0,600 mm), 48 (0,300 mm), 60 (0,250 mm), 65 (0,212 mm) e 80 (0,180 mm). O

procedimento para análise granulométrica foi o mesmo descrito para a casca de arroz innatura.

O módulo de finura (MF) é utilizado para determinar se a amostra em questão égrossa, média ou fina. O MF da amostra foi calculado adotando índices que cada uma daspeneiras de maneira crescente, onde o fundo corresponde ao índice 0, a menor peneira aoíndice 1, a segunda menor ao índice 2, e assim sucessivamente, e então a equação 5 foiaplicada. Quanto maior MF, mais grosso é o produto. Quanto menor é o MF, mais fino é oproduto (HENDERSON, 1976).



Material e Métodos

17

MF =∑ Porcentagemdo peso x Índice

100 (5)

5.3.5. Densidade aparente

Para determinação da densidade aparente, utilizou-se um recipiente de volume emassa conhecidos. A casca de arroz foi adicionada uniformemente até completar esse

volume e a sua massa foi determinada. A densidade aparente foi calculada como a médiaentre cinco medidas da razão entre a massa e o volume ocupado pela casca de arroz.

5.3.6. Densidade real

Em uma proveta de 500 mL foram adicionados cerca de 15 g de casca de arroz(MC) e, em seguida, adicionados aproximadamente 150 g de água (MA) à temperaturaambiente (essa foi medida previamente). Foi anotado o volume total da mistura água ecasca (VT). A densidade da água na temperatura em questão (DA) foi obtido em literatura(LIDE, 2006). A densidade real (DR) foi calculada através da equação 6.

(6)

5.3.7. Poder calorífico superior

A determinação do poder calorífico superior da casca de arroz foi realizada seguindoas normas ASTM D 4007-44, D 271-58 e D 240-57 T. Uma pequena amostra de casca dearroz foi ligeiramente comprimida com auxílio de uma tesoura, pesada, e colocada suspensadentro da bomba calorimétrica. Um fio padrão de ferro de 10 cm foi cortado (massa =0,007 g; PCFe = 1600 cal/g) e passado através da amostra ligando uma de suas extremidadesà haste que suporta o recipiente com a amostra e a outra extremidade à outra haste quedesce da tampa da bomba, cuidado foi tomado para que o fio não entrasse em contato comas paredes da bomba. Foi adicionado 1 mL de água na bomba e a bomba foi pressurizadaatravés da adição de oxigênio, a pressão do O2 na bomba foi mantida na faixa de 20 a 30atm. As ligações elétricas foram feitas, o agitador ligado e o termômetro de Beckmanndevidamente instalado. Foi dado um tempo de 5 minutos para que as perturbações térmicas



Material e Métodos

18

desaparecessem, a leitura da temperatura de minuto a minuto nesse período foi realizada. Aignição foi feita no início do quinto minuto, e as temperaturas foram lidas aos 45, 60, 75,90, 105 e 120 segundos após a ignição, após esse momento a análise prosseguiuverificando-se a temperatura de minuto a minuto, até esta se tornar constante ou variarapenas levemente de modo linear.

Para o cálculo do poder calorífico superior, o valor que se mede é basicamente umpoder calorífico superior a volume constante, pois o volume é constante e a água não évaporizada. Entretanto, algumas correções foram feitas, como por exemplo a subtração docalor de combustão do fio de ferro (mFe x PCFe) do calor total desprendido (C x ∆T).Portanto, o poder calorífico superior calculado foi aproximado através da aplicação daequação 7, onde C é a capacidade calorífica da bomba utilizada, para a bomba em questãoC = 2460, 66 cal/°C, ∆T a variação de temperatura, mFe é a massa do ferro, PCFe é o podercalorífico do fio de ferro, e m é a massa da amostra de casca de arroz.

(7)

5.4. Umidificação da casca de arroz

Em algumas partes dessa pesquisa a casca de arroz teve que ser umidificada. O

processo de umidificação utilizado foi a aplicação de água diretamente sobre a casca dearroz, utilizando um borrifador comum em um saco plástico. Sabia-se, previamente, aumidade da casca de arroz, então foi calculada a quantidade de água necessária para que seobtivesse a umidade desejada. Após a adição de água, o saco plástico foi fechado e a cascade arroz foi armazenada em geladeira a 5 °C (para evitar proliferação de fungos) por nomínimo 72h, onde a homogeneização do material era feita a cada 2 horas.

5.5. Ensaios de secagem

Os ensaios de secagem foram realizados às temperaturas de 50 °C, 70 °C e 90 °C. Asecagem foi feita em uma estufa com renovação e circulação de ar (VENTICELL). Para

cada temperatura, três amostras de 150 g foram uniformemente distribuídas em umrecipiente e levadas à estufa, à temperatura de ensaio predeterminada. Nas primeiras duashoras da secagem, a massa da casca de arroz foi medida a cada 15 minutos. Na terceira equarta horas, a medição foi realizada a cada 30 minutos. Após a quarta hora, a cada 1 hora.As medições pararam de ser feitas quando as massas de todas as amostras estabilizaram,indicando o equilíbrio com o ar de secagem. A temperatura ambiente e a umidade relativado ar foram registradas com um termohigrometro digital (EQUITHERM). A curva desecagem, porcentagem de umidade em base úmida pelo tempo, foi traçada através dadiferença de massa ao decorrer do tempo, visto que a umidade inicial da casca utilizada nosensaios foi de aproximadamente 20%.



Material e Métodos

19

Através dos dados obtidos na secagem foram calculados o adimensionalexperimental Y através da primeira igualdade da equação 2, onde: X é a razão entre massade água e massa seca no instante da medição, Xeq a mesma razão quando a secagem atingeo equilíbro e Xo a mesma razão no instante inicial da secagem. No software Statistica 6.0(2001) os adimensionais (Y), as constantes de secagem (k), e os coeficientes dedeterminação (R²) foram determinados através modelo de Fick na configuração de placaplana por de iterações. Foi então verificado o comportamento das curvas de secagemquando comparadas com o que o modelo prevê. A comparação foi feita através doadimensional Y calculando o desvio simples do valor experimental em relação ao valorpredito. Foram feitos três ajustes do modelo à secagem para cada temperatura, utilizando,respectivamente, 5, 10 e 15 termos da série, e foi considerado apenas o modelo quedemonstrou o menor desvio entre resultados teóricos e experimentais, isso também poderiaser feito considerando apenas os ajustes com menor coeficiente de determinação.

5.6. Redução de tamanho da casca de arroz

As amostras com diferentes teores de água (5%, 10% e 15%) foram levadas a ummoinho de facas (PRODUTEST) para a etapa de redução de tamanho. Foi então avaliado oefeito da umidade sobre a granulometria das amostras. Foram utilizadas duas peneirasdistintas, MESH 10 e 20, com a finalidade de se obter diferentes granulometrias domaterial.

5.7. Compactação da casca de arroz

A compactação da casca de arroz moída no moinho de facas com peneiras MESH10 e da casca de arroz inteira (sem moer), com umidades de 5, 10 e 15%, foram realizadascom uma prensa hidráulica utilizando um molde cilíndrico de 7 cm de diâmetro. O moldefoi posicionado devidamente na prensa e 80 g de biomassa foram adicionadas para o casoda casca moída, e 40g para a casca inteira. A carga da prensa sobre a biomassa foicontrolada até atingir a carga de 450 kN. A velocidade média do pistão em todas ascompactações foi de 170 mm/min.

Não foi possível adicionar mais de 40 g de casca de arroz inteira no molde pois esse

valor correspondeu ao limite possível. Um molde com uma altura maior não pode serutilizado na prensa devido à incompatibilidade física entre os dois.

Inicialmente foi previsto que a compactação fosse realizada em diferentestemperaturas, no entanto isso não foi possível devido à inviabilidade física de acoplar umacamisa cilíndrica ao molde e à prensa utilizada nos ensaios.

Após a compactação a espessura dos briquetes foi medida com um paquímetro, eapós uma semana a mesma medida foi feita para avaliar a expansão pós-briquetagem domaterial. Com o segundo valor obtido pode-se calcular a densidade calorífica superior domaterial (kJ/cm3), já que o poder calorífico superior foi determinado na primeira parte doprojeto e a área da secção transversal dos briquetes foi de 38,4845 cm 2.



Material e Métodos

20

Através dos dados computacionais fornecidos pelo sistema computacional acopladoà prensa, curvas médias da carga aplicada à amostra de casca de arroz em relação ao tempoforam plotadas no software Excel. A integral dessa curva foi determinadacomputacionalmente pelo software MatLab R2010a, que fisicamente representa aquantidade de energia fornecida pela prensa na compactação das amostras.

5.8.Ensaio de compressão e deformação dos briquetes

Os testes de compressão foram realizados em prensa hidráulica da marca EMIC,modelo DL30000N localizada no Laboratório de Materiais e Estruturas da FEAGRI-UNICAMP. No controle do teste de compressão, foi utilizado o programa Tesc versão 3.05,necessário nos ajustes dos parâmetros operacionais dos ensaios.

Nos ensaios dos briquetes constituídos de casca de arroz inteira, a compressão foi

realizada até obter uma deformação de 10 mm ou então uma carga de 250 kN. Para osensaios dos briquetes com casca de arroz moída em MESH 10, a compressão foi realizadaaté obter uma deformação de 15 mm ou então uma carga de 250 kN. Essas limitaçõesforam definidas principalmente visando a segurança de operação do equipamento, poisvalores superiores a esses poderiam causar danos ao aparelho. Os testes foram executadosprogramando um deslocamento do êmbolo da prensa de 5 mm/min e registrando-se nocomputador a curva de força de compressão versus deslocamento. A amostra foiconsiderada rompida quando a força, após alcançar o seu máximo, começava a diminuir. Atensão de ruptura foi medida pela célula de carga e registrada pelo software, acoplado aocomputador.

No software Origin 7.5 Pro as curvas de tensão (MPa) em relação a deformaçãoespecífica (adimensional) foram plotadas e a derivada da região linear foi determinada, afim de determinar o módulo de elasticidade do material, dado em MPa.



Resultados e Discussão

21

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1. Caracterização da casca de arroz antes da moagem

6.1.1. Casca de arroz in natura

Na Tabela 4 são apresentadas a umidade, análise imediata, densidade aparente,densidade real e poder calorífico superior da casca de arroz utilizada. Os valores obtidosestão dentro dos valores encontrados por Filippetto (2008), exceto o valor da densidade realque não foi localizado na bibliografia consultada. Os valores que mais desviam dos valoresencontrados por Filippetto (2008) são os de carbono fixo, cinza e poder calorífico superior.A composição da casca de arroz analisada no presente trabalho e da analisada por Filippetto

(2008) podem variar com o local onde foi plantado, com o tipo de solo, com irrigação oucom adubação. Portanto, por esses motivos, a faixa de valores encontrados aqui podem serconsiderados próximos aos apresentados na literatura.

Tabela 4 - Resultados obtidos na caracterização da casca de arroz in natura

Média DP CV (%)

Umidade (%) 9,19 0,39 4,24

Densidade aparente (g/cm³) 0,102 0,003 2,94

Densidade real (g/cm³) 0,594 0,036 6,06

Propriedadesfísicas

Poder calorífico superior (MJ/kg) 14,424 - -

Material volátil (%) 66,01 0,15 0,23

Carbono fixo (%) 15,56 0,27 1,73

Análiseimediata

Cinza (%) 18,43 0,09 0,49

A Figura 6 apresenta os resultados da distribuição granulométrica da casca de arrozin natura. Percebe-se que cerca de 96,64% da massa de casca de arroz não atravessaram apeneira de 0,85 mm, sendo que 46,00% da massa ficou retida nesta.




22

Distribuição granulométrica da casca de arroz in natura

0

10

20

30

40

50

3,35 2 0,85 0,5 0,355 0,18 <0,18

Abertura da peneira (mm)

M a s s a r e t i d a ( % )

Figura 6 – Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz in natura

6.1.2. Casca de arroz com diferentes níveis de umidade

A Tabela 5 apresenta os valores das densidades e umidade obtidos a partir daanálise da casca de arroz com 5%, 10% e 15% de umidade. Para a casca de arroz comumidade de 10% foi utilizada a própria casca de arroz in natura.

Tabela 5 - Resultados obtidos na caracterização da casca de arroz com 5%, 10% e 15% deumidade

Casca de arroz Média DP CV (%)

Umidade (%) 4,97 0,32 6,44

Densidade aparente (g/cm³) 0,107 0,003 2,805% de umidade


Umidade (%) 9,19 0,39 4,24



Umidade (%) 14,99 0,47 0,99



Através da Tabela 5, fica evidente que as densidades aparente e real sãoinversamente proporcionais à umidade, ou seja, conforme se reduz a umidade, maiores sãoas densidades da casca.




23

Para o caso da densidade aparente isso pode ser explicado pelo tamanho da casca.Quanto menor a umidade, menores são as unidades da casca, e isso faz com que aacomodação da matéria em um recipiente seja facilitada. Comparativamente à densidadeaparente da casca com umidade 10%, a densidade aparente da casca 5% úmida é 4,92%maior, enquanto a de 15% é 0,98% menor.

No entanto as diferenças dos valores das densidades reais mostram que,proporcionalmente, o ganho de massa devido à umidificação foi menor do que o aumentodo volume das unidades da casca, resultando em redução da densidade real com o aumentoda umidade. A densidade real da casca 5% úmida mostrou-se 2,69% superior,comparativamente à casca com 10% de umidade, enquanto a de 15% foi 1,01% menor.

A Figura 7 mostra a representação gráfica da distribuição granulométrica da cascade arroz com 5%, 10% e 15% de umidade.

Para a casca de arroz de umidade 5%, cerca de 97,92% da massa analisada nãoatravessou a peneira com abertura de 0,85 mm. Aproximadamente 56,78% da massa ficouretida nessa peneira.

Já para a casca de arroz com umidade de 15%, uma porção de 97,34% da massaanalisada não foi capaz de atravessar a peneira de 0,85 mm. Os percentuais de massaretidos nas peneiras de abertura de 3,35, 2,00 e 0,85 mm foram 33,44%, 34,04% e 29,86%,respectivamente.

Distribuição granulométrica da casca de arroz com umidades

de 5%, 10% e 15%

0

10

20

30

40

50

60

3,35 2 0,85 0,5 0,355 0,18 <0,18

Abertura das peneiras (mm)


5% de umidade

10% de umidade

15% de umidade

Figura 7 – Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz com 5%, 10% e 15% de

umidade

Pela comparação na Figura 7, percebe-se um aumento no tamanho das partículas dacasca de arroz com o aumento da umidade. Esse aumento é pequeno quando se comparamas cascas com 5% e 10% de umidade, no entanto, quando a comparação é feita entre ascascas com 5% e 15% de umidade o aumento é bastante significativo. Logo, isso mostraque o aumento da umidade nas unidades da casca de arroz faz com que ocorra um aumentono volume, indicando uma relação entre granulometria e densidade.




24

As observações do parágrafo anterior se confirmam quando são analisados osmódulos de finura para a casca de arroz com diferentes umidades. Para a umidade de 5%,10% e 15%, os módulos de finura são, respectivamente, 4,59, 4,67, 4,97.

6.2. Caracterização da casca de arroz após a moagem

A Tabela 6 apresenta as densidades aparente e real calculadas para as amostras decasca de arroz moídas em diferentes peneiras e sob diferentes condições de umidades. Deuma maneira geral, as densidades aparentes e reais de todas as amostras moídas diminuíramcom o aumento da umidade.

Tabela 6 – Resultados obtidos na determinação das densidades aparente e real da casca de arroz dediferentes umidades moídas na presença de peneiras de abertura MESH 10 e MESH 20

MESH 10

Umidade Densidadeaparentemédia(g/cm³)

DP

(g/cm³)

CV (%) Densidadereal média

(g/cm³)

DP(g/cm³)

CV (%)

5% 0,380 0,005 1,31 0,562 0,037 6,58

10% 0,344 0,008 2,36 0,545 0,042 7,71

15% 0,332 0,009 2,71 0,533 0,051 9,57

MESH 20Densidadeaparentemédia(g/cm³)

DP

(g/cm³)

CV (%) Densidadereal média

(g/cm³)

DP(g/cm³)

CV (%)

5% 0,424 0,006 1,41 0,607 0,045 7,41

10% 0,416 0,002 0,48 0,576 0,056 9,72

15% 0,389 0,008 2,06 0,559 0,066 11,81

Quando a peneira de MESH 10 foi usada na moagem, obteve-se que a densidadeaparente da amostra com 5% de umidade foi 10,47% maior que a amostra de 10%,enquanto a com 15% apresentou-se 6,98% menor. Já a densidade real para 5% de umidadeapresentou uma variação percentual positiva de 3,12% em relação à de 10% de umidade,enquanto a de 15% de umidade foi de -2,20%.

Para o caso em que a peneira usada foi a de MESH 20, obtiveram-se as densidadesaparente e real da amostra com 5% de umidade 1,92% e 5,38% maiores em relação àamostra com 10% de umidade, respectivamente. Já as densidades aparente e real da cascamoída com 15% de umidade se mostraram 6,49% e 2,95% menores, respectivamente, emrelação à amostra com 10% de umidade.




25

A Figura 8 apresenta a análise granulométrica das amostras moídas de casca dearroz com 5% de umidade. A amostra em que se utilizou a peneira com abertura MESH 10na moagem apresentou a maior parte de massa retida na peneira de 0,6 mm de abertura,aproximadamente 69,67%. A peneira de abertura 0,3 mm reteve 16,91% da massa inseridana análise. Já a amostra moída com a peneira de abertura MESH 20 apresentou 52,73%,19,41% e 19,40% da sua massa retidos nas peneiras com aberturas de 0,3; 0,25 e 0,212 mm,respectivamente. O módulo de finura para o caso em que foi usada a peneira de MESH 10foi de 4,45, enquanto no que se usou a de MESH 20 foi de 3,34. Tais valores confirmamque o material moído na presença da peneira de MESH 20 apresentou-se mais fino.

Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz moída

com 5% de umidade

0

10

20

30

40

50

60

7080

2 0,6 0,3 0,25 0,212 0,18 <0,18



MESH 10

MESH 20

Figura 8 – Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz moída com 5% de

umidade

A Figura 9 apresenta a análise granulométrica das de casca de arroz amostrasmoídas com 10% de umidade. Nota-se pelo gráfico que quando se utilizou a peneira deMESH 10, a maior parte da massa, cerca de 83,04%, ficou retida na peneira com aberturade 0,6 mm. Já para a amostra moída com peneira MESH 20, 26,14%, 45,29%, 14,97% damassa ficaram retidos nas peneiras de aberturas 0,6; 0,3 e 0,25 mm, respectivamente. Omódulo de finura para o produto manipulado com a peneira de MESH 10 foi de 4,69,

enquanto para a peneira de MESH 20 foi de 3,76, valores que evidenciam a maior grossurada amostra moída com a peneira de MESH 10.




26


com 10% de umidade

0

20

40

60

80

100

2 0,6 0,3 0,25 0,212 0,18 <0,18



MESH 10

MESH 20


umidade

A Figura 10 apresenta a análise granulométrica das amostras moídas de casca dearroz com 15% de umidade. A casca moída na presença da peneira de MESH 10 apresentou82,80% de massa retida na peneira com abertura de 0,6 mm. Já a amostra moída com autilização da peneira de MESH 20 apresentou uma retenção de 45,08%, 34,17% e 11,09%da sua massa nas peneiras de aberturas 0,6, 0,3 e 0,25 mm, respectivamente. Os módulos definura calculados para as amostras de peneira MESH 10 e MESH 20 foram 4,69 e 4,08.

Estes módulos corroboram a maior finura da amostra processada com a peneira de MESH20.


com 15% de umidade

0

20

40

60

80

100

2 0,6 0,3 0,25 0,212 0,18 <0,18



MESH 10

MESH 20


umidade




27

Nas Figuras 11 e 12, as granulometrias das amostras moídas com peneiras de

MESH 10 e 20, respectivamente, são apresentadas diferentes níveis de umidade parafacilitar a comparação dos dados.


na presença da peneira de MESH 10

0

20

40

60

80

100

2 0,6 0,3 0,25 0,212 0,18 <0,18


M a s s a

r e t i d a ( % )

5% de umidade

10% de umidade

15% de umidade

Figura 11 – Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz moída na presença da

peneira de MESH 10 nos níveis de umidade de 5%, 10% e 15%

Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz moídana presença da peneira de MESH 20

0

10

20

30

40

50

60

2 0,6 0,3 0,25 0,212 0,18 <0,18



5% de umidade

10% de umidade

15% de umidade

Figura 12 – Gráfico da distribuição granulométrica da casca de arroz moída na presença da

peneira de MESH 20 nos níveis de umidade de 5%, 10% e 15%

Pelos gráficos das Figuras 10 e 11, percebe-se que quando a peneira de MESH 10foi utilizada na moagem a granulometria das cascas com 5%, 10% e 15% de umidade sãopróximas. No entanto, o mesmo não aconteceu quando a peneira de MESH 20 foi utilizada.




28

Para este caso a variação entre as distribuições granulométricas é significativamente maiorde acordo com os diferentes níveis de umidade.

6.3. Ensaios de secagemNas Tabelas 7, 8 e 9 são apresentados os resultados obtidos no ensaio de secagem

da casca de arroz com umidade inicial de aproximadamente 20% a 50, 70 e 90 °C.

Tabela 7 – Resultados obtidos através do ensaio de secagem da casca de arroz a 50 °C

Tempo(min)

Massa daamostra

(g)

Massa deágua (g)

Porcentagemde umidade na

amostra embase úmida

(%)

Xbs

(massa deágua/massa

seca)

dX/dt

(10-3 xgágua /gbaseseca.min)

Umidaderelativa

ambiente(%)

0 150,20 30,04 20,00 0,2500 2,0 4215 146,60 26,44 18,03 0,2200 2,1 42

30 142,78 22,62 15,84 0,1882 1,9 42

45 139,38 19,22 13,79 0,1600 1,4 42

60 136,77 16,61 12,14 0,1382 1,1 42

75 134,79 14,63 10,85 0,1218 1,1 43

90 132,89 12,73 9,58 0,1059 0,7 45

105 131,67 11,51 8,74 0,0958 0,6 46

120 130,04 9,88 7,59 0,0822 0,4 45

150 128,40 8,24 6,42 0,0686 0,3 45

180 127,47 7,31 5,73 0,0608 0,2 44

210 126,74 6,58 5,19 0,0548 0,1 43

240 126,32 6,16 4,88 0,0513 0,0 44

300 125,98 5,82 4,62 0,0484 0,0 44

360 125,80 5,64 4,48 0,0469 0,0 44

420 125,68 5,52 4,39 0,0459 0,0 44480 125,56 5,40 4,30 0,0449 0,0 44

540 125,45 5,29 4,22 0,0440 0,0 45

600 125,43 5,27 4,20 0,0439 0,0 46

660 125,40 5,24 4,18 0,0436 0,0 47

720 125,40 5,24 4,18 0,0436 0,0 47

Média:44,0




29


Tempo(min) Massa daamostra (g) Massa deágua (g) Porcentagemde umidade naamostra embase úmida

(%)

Xbs(massa de

água/massaseca)

dX/dt(10-3 x gágua /gmassa

seca.min)

Umidaderelativaambiente

(%)

0 150,11 31,38 20,90 0,2643 4,2 45

15 142,58 23,85 16,73 0,2009 2,8 46

30 137,58 18,85 13,70 0,1588 2,4 45

45 133,22 14,49 10,88 0,1220 2,1 45

60 129,43 10,70 8,27 0,0901 1,5 4675 126,68 7,95 6,28 0,0670 1,3 46

90 124,41 5,68 4,56 0,0478 0,9 46

105 122,76 4,03 3,28 0,0339 0,4 47

120 121,84 3,11 2,55 0,0262 0,2 47

150 120,85 2,12 1,75 0,0179 0,2 47

180 120,22 1,49 1,24 0,0125 0,0 47

210 120,09 1,36 1,13 0,0115 0,0 46

240 120,03 1,30 1,08 0,0109 0,0 45

300 120,00 1,27 1,06 0,0107 0,0 43

360 119,97 1,24 1,03 0,0104 0,0 41

420 119,96 1,23 1,03 0,0104 0,0 45

480 119,96 1,23 1,03 0,0104 0,0 50

Média:45,7




30


Tempo

(min)

Massa da

amostra (g)

Massa de

água (g)

Porcentagem

de umidade naamostra embase úmida

(%)

Xbs

(massa deágua/massa

seca)

dX/dt

(10-3 x gágua /gmassa

seca.min)

Umidade

relativaambiente(%)

0 150,12 31,00 20,65 0,2602 7,9 54

15 136,08 16,96 12,46 0,1424 4,5 53

30 128,04 8,92 6,97 0,0749 2,5 52

45 123,55 4,43 3,59 0,0372 1,3 51

60 121,23 2,11 1,74 0,0177 0,4 50

75 120,51 1,39 1,15 0,0117 0,3 4890 120,06 0,94 0,78 0,0079 0,2 47

105 119,77 0,65 0,54 0,0055 0,0 46

120 119,73 0,61 0,51 0,0051 0,0 45

150 119,68 0,56 0,47 0,0047 0,0 45

180 119,66 0,54 0,45 0,0045 0,0 44

210 119,59 0,47 0,39 0,0039 0,0 43

240 119,56 0,44 0,37 0,0037 0,0 42

300 119,55 0,43 0,36 0,0036 0,0 42

360 119,55 0,43 0,36 0,0036 0,0 41

420 119,55 0,43 0,36 0,0036 0,0 42

Média: 46,6

No gráfico da Figura 13 são plotadas as curvas de secagem, que mostram a variaçãoda umidade das amostras com o tempo. Como já era esperado, a amostra que foi seca àtemperatura de 90 °C atingiu a umidade de equilíbrio mais rapidamente que no ensaio a

70°C, no qual, por sua vez, a umidade de equilíbrio foi alcançada mais rapidamente que noensaio a 50 °C. Ainda por esse gráfico, pode-se verificar que quanto maior é a temperaturado ensaio, menor é a umidade de equilíbrio. Para os ensaios a 50, 70 e 90 °C, essa umidadecorresponde a 4,18%, 1,03% e 0,36%, respectivamente.

Pelos dados da secagem fica evidente que a secagem de 50 °C demora um tempomaior para alcançar a umidade de equilíbrio quando comparada com as temperaturas de 70°C e 90 °C. O ensaio de 50 °C demorou aproximadamente 660 minutos para atingir oequilíbrio, enquanto o de 70 °C levou cerca de 420 minutos e o de 90 °C aproximadamente300 minutos.




31

As médias das umidades relativas do ar ambiente no momento dos ensaios sãopróximas o suficiente umas das outras para que essa variável seja desprezada comsegurança nos experimentos e manipulações dos dados.

Umidade da casca de arroz em função do tempo durante o

ensaio de secagem

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800

Tempo (min)

U m i d a d e e m b

a s e

ú m i d a ( % )

Secagem a 50 °C

Secagem a 70 °C

Secagem a 90 °C

Figura 13 – Gráfico da umidade da casca de arroz em função do tempo durante o ensaio de

secagem

A taxa de secagem (Tabelas 7, 8 e 9) apresenta-se inicialmente maior e se torna nula

mais rapidamente quanto maior a temperatura do ensaio.Através das análises estatísticas percebeu-se que o melhor ajuste para a curva de

secagem da casca de arroz ocorreu utilizando a modelagem da série de Fick com apenascinco termos, a comparação dos valores do adimensional Y observado (Yobs) durante osensaios de secagem com os preditos pelo modelo de Fick (Ypred), com cinco termos, sãoapresentados e confrontados na Tabela 10. Nessa tabela percebe-se que com o desenrolardo tempo o desvio do observado com o predito vai aumentando, mas pelos dados obtidospode considerar que a secagem se ajustou bem ao modelo de Fick, principalmente osensaios de 50 e 70° C, pois em ensaios de secagem desse tipo desvios até maiores que osobtidos são aceitáveis. O bom ajuste fica mais evidenciado ainda com a proximidade deuma unidade que os coeficientes de determinação (R2) apresentaram, sendo que essescoeficientes são, respectivamente para as secagens de 50, 70 e 90 °C, 0,9767, 0,9774 e0,8641.




32

Tabela 10 – Comparação entre o adimensional observado e o predito

50 °C 70 °C 90 °C

t (min) Yobs Ypred Desvio(%)

Yobs Ypred Desvio Yobs Ypred Desvio(%)

0 1,0000 0,9596 4,21 1,0000 0,9596 4,21 1,0000 0,9596 4,21

15 0,8548 0,7164 19,32 0,7502 0,6453 16,26 0,5407 0,6020 10,19

30 0,7008 0,5989 17,00 0,5844 0,4989 17,13 0,2777 0,4391 36,76

45 0,5637 0,5092 10,70 0,4398 0,3902 12,70 0,1308 0,3228 59,47

60 0,4585 0,4349 5,41 0,3141 0,3057 2,73 0,0550 0,2375 76,86

75 0,3786 0,3719 1,79 0,2229 0,2396 6,98 0,0314 0,1747 82,03

90 0,3020 0,3182 5,10 0,1476 0,1877 21,40 0,0167 0,1285 87,02

105 0,2528 0,2723 7,16 0,0929 0,1471 36,89 0,0072 0,0946 92,39

120 0,1871 0,2330 19,71 0,0624 0,1153 45,93 0,0059 0,0696 91,54

150 0,1210 0,1706 29,10 0,0295 0,0708 58,32 0,0043 0,0376 88,71

180 0,0835 0,1249 33,19 0,0086 0,0434 80,17 0,0036 0,0204 82,36

210 0,0540 0,0914 40,94 0,0043 0,0267 83,86 0,0013 0,0110 88,15

240 0,0371 0,0669 44,62 0,0023 0,0164 85,85 0,0003 0,0059 94,53

300 0,0234 0,0359 34,88 0,0013 0,0062 78,56 0,0000 0,0017 100,00360 0,0161 0,0192 16,24 0,0003 0,0023 85,79 0,0000 0,0005 100,00

420 0,0113 0,0103 9,35 0,0000 0,0009 100,00

480 0,0065 0,0055 16,50 0,0000 0,0003 100,00

540 0,0020 0,0029 32,07

600 0,0012 0,0016 23,99

660 0,0000 0,0008 100,00

720 0,0000 0,0004 100,00

A Tabela 11 apresentam os valores da constante de secagem do modelo de Fick (k)obtidos pelo software Statistica 6.0 (2001), quando o modelo é utilizado com 5, 10 ou 15termos.




33

Tabela 11 – Valores da constante de secagem para o ajuste ao modelo de Fick

Constante de secagem, k (s-1)

T (ºC) 5 termos 10 termos 15 termos50 0,001053 0,000242 0,000076

70 0,001646 0,000380 0,000140

90 0,002055 0,000421 0,000195

Nos gráficos 14, 15 e 16 são plotados os valores dos adimensionais experimentaisobtidos nos ensaios e a curva predita do modelo de Fick, com as temperatura de 50, 70 e 90°C, respectivamente.

Figura 14 – Curva de secagem da casca de arroz (experimental e estimada) para o ensaio de50°C, obtidas pelo modelo de Fick




34



6.3. Compactação da casca de arroz

Não foi possível a obtenção de briquetes, de forma satisfatória, com a casca de arrozinteira, em todas umidades utilizadas (5, 10 e 15%), com a aplicação de 45 t de carga. O




35

material compactado apresentou-se esfarelento, se desfazendo apenas com o raspar dasmãos em suas bases (Figura 17). Para a briquetagem da casca de arroz com essa carga deveser estudado o uso de algum aglutinante, como pixe ou alcatrão.

Antes da briquetagem com carga de 45 t da casca moída, foi realizada com carga de20 e 25 t, sem sucesso. Para a casca moída sem o uso de aglutinante percebe-se que énecessária uma alta energia para induzir o material à compactação, o que sugereinviabilidade econômica do processo.

Figura 17 – Tentativa de briquetagem da casca de arroz inteira utilizando uma carga

de 45 t para compactação

Para o caso da casca de arroz moída com a presença da peneira MESH 10 no

moinho de facas, a briquetagem demonstrou-se satisfatória com a utilização de 45 t decarga. O aspecto apresentado por esses briquetes pode ser visto na Figura 18. Visualmente,os briquetes mostraram aspecto semelhante, independente da umidade utilizada.

Figura 18 – Briquete de casca de arroz moída (na foto, com umidade de 10%)

compactada com carga de 45 t

Após o período de uma semana, a partir da compactação dos briquetes, a expansãoda amostra foi medida. Os dados obtidos estão apresentados na Tabela 12 e 13.




36

Tabela 12 – Espessura e expansão dos briquetes de casca de arrozBriquetes de casca de arroz inteira em diferentes umidades (40 g)

5% 10% 15%Espessura apóscompactação

[mm]

Espessura umasemana pós-compactação

[mm]

Expansão

[mm]

Espessura apóscompactação

[mm]


[mm]

Expansão

[mm]


[mm]


[mm]

Expansão

[mm]

15,22+1,49 20,57+0,76 5,34+0,77 16,14+1,26 21,90+1,17 5,76+1,42 17,23+1,26 23,56+1,21 6,33+1,47

Briquetes de casca de arroz moída em MESH 10 em diferentes umidades (80 g)

5% 10% 15%Espessura apóscompactação

[mm]


[mm]

Expansão

[mm]


[mm]


[mm]

Expansão

[mm]


[mm]


[mm]

Expansão

[mm]

26,61+1,35 33,76+0,96 7,14+0,85 25,98+2,20 31,25+1,63 5,28+0,59 33,61+0,84 38,50+0,89 4,89+1,02

Tabela 13 – Expansão percentual dos briquetes de casca de arroz

Expansão

5% 35,08%

10% 35,68%

Briquete de

casca de arrozinteira 15% 36,74%

5% 26,83%

10% 20,32%

Briquete decasca de arroz

moída emMESH 10 15% 14,54%

Através dos dados da Tabela 12 e 13 fica evidenciado que para o caso dacompactação da casca inteira ocorre uma maior expansão conforme o nível de umidade

aumenta, e que o tamanho do briquete é maior conforme aumenta a umidade para umamesma massa. Já no caso da compactação com a casca moída ocorre uma menor expansãoconforme o nível de umidade aumenta, no entanto o tamanho do briquete apresentou-semaior para o caso da casca com umidade de 15% e menor para a com 10%, através dissopode-se afirmar que o tamanho do briquete para esse caso não segue um comportamentolinear com a variação da umidade.

A densidade calorífica superior de cada briquete pode ser estimada através do podercalorífico superior determinado pela caracterização da casca (seção 6.1.1.). Esses valoressão apresentados na Tabela 13.




37

Tabela 13 – Densidade calorífica superior dos briquetes

Briquetagem da casca de arroz inteira em diferentes umidades (40 g)

5% 10% 15%Densidade calorífica superior

[kJ/cm3]

Densidade calorífica superior

[kJ/cm3]


[kJ/cm3]

7,289 6,846 6,363

Briquetagem da casca de arroz moída em MESH 10 em diferentes umidades (80 g)

5% 10% 15%


[kJ/cm3]


[kJ/cm3]


[kJ/cm3]

8,984 9,595 7,788

A análise da Tabela 13 mostra que no caso da casca de arroz inteira a umidade de5% apresenta uma maior densidade calorífica em relação às demais umidades, sendo assima mais viável quando se analisa apenas a densidade energética. Para o caso da casca dearroz moída, essa viabilidade ocorre com a amostra a 10% de umidade.

As Figuras de 19 e 20 são os gráficos das curvas da carga em função do tempo sobreas diferentes amostras de casca de arroz no processo de briquetagem. Através da integraldessas curvas, é possível determinar a energia utilizada pela prensa na compactação das

amostras. Essas integrais podem ser determinadas por meio do o software MatLab 10. Osresultados obtidos estão apresentados na Tabela 14. Para fins de comparação, a Tabela 14apresenta os valores do poder calorífico das amostras e a energia necessária para abriquetagem.




38

Compactação da casca de arroz inteira

Figura 19 – Curvas da carga x tempo no processo de compactação da casca de arroz inteira emdiferentes níveis de umidade

Compactação da casca de arroz moída em MESH 10

Figura 20 – Curvas da carga x tempo no processo de compactação da casca de arroz moída emMESH 10 sob diferentes níveis de umidade




39

Tabela 14 – Energia necessária na compactação e poder calorífico dos briquetes

Briquetagem da casca de arroz inteira em diferentes umidades (40 g)

5% 10% 15%Energia

necessária

[kJ]

Poder caloríficoda amostra

[kJ]

Energianecessária

[kJ]


[kJ]

Energianecessária

[kJ]


[kJ]

3308,92 577,02 3644,32 576,99 4563,66 576,93

Briquetagem da casca de arroz moída em MESH 10 em diferentes umidades (80 g)

5% 10% 15%

Energia

necessária[kJ]

Poder calorífico

da amostra[kJ]

Energia

necessária[kJ]

Poder calorífico

da amostra[kJ]

Energia

necessária[kJ]

Poder calorífico

da amostra[kJ]

5304,34 1167,23 5204,64 1153,93 5433,13 1153,91

Os dados da Tabela 14 evidenciam uma inviabilidade energética, econsequentemente econômica, na produção dos briquetes. A comparação entre a energianecessária na briquetagem e o poder calorífico do briquete revela claramente que a energiautilizada no processo de compactação é muito maior que a própria energia que pode serfornecida pelo briquete. Esse problema pode ser reparada com a utilização de aglutinantes

do processo de compactação, que consequentemente acarretará o uso de prensas commenores pressões, fazendo que uma menor energia seja necessária para que a compactaçãoocorra.

6.4. Ensaios de compressão dos briquetes

As Figuras 21 e 22 apresentam os gráficos da tensão-deformação das amostras. Paraos ensaios realizados com os briquetes formados pela casca de arroz inteira nas diferentes

condições de umidade percebeu-se que os materiais não foram capazes de alcançar aruptura. Já as amostras de briquetes de casca moída alcançaram a ruptura, com exceçãodaquela com umidade de 15%.




40

Ensaios de compressão dos briquetes formados pela casca de arroz inteiraem diferentes umidades

Figura 21 – Gráfico dos ensaios de compressão dos briquetes formados pela casca de arrozinteira em diferentes umidade




41

Ensaios de compressão dos briquetes formados pela casca de arroz moídaem diferentes umidades

Figura 22 – Gráfico dos ensaios de compressão dos briquetes formados pela casca de arrozmoída em diferentes umidade




42

TABELA 15 – Parâmetros obtidos através do ensaio de compressão dos briquetes

Briquetes de casca de arroz inteira em diferentes umidades (40 g)

5% 10% 15%Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]

Módulo deelasticidade

[MPa]

Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]


[MPa]

Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]


[MPa]

83,71 9,99 744,15 45,83 10,22 516,97 85,41 9,08 996,60

Briquetes de casca de arroz moída em MESH 10 em diferentes umidades (80 g)

5% 10% 15%

Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]


[MPa]

Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]


[MPa]

Tensãomáxima

[MPa]

Deformaçãomáxima

[mm]


[MPa]

73,20 15,38 355,39 86,79 15,04 464,47 67,72 20,03 390,81

No ensaio de compressão dos briquetes formados por casca de arroz inteira nãohouve a ruptura da amostra, de forma que não foi possível ter uma noção precisa daresistência do briquete sobre a tensão de compressão. Os módulos de elasticidade foramdeterminados, conforme a Tabela 15. A amostra com teor de 15% de água possui o maiormódulo entre as três amostras dessa granulometria, o que significa que é a amostra maisrígida ou é a que apresenta uma menor deformação elástica quanto aplicada uma tensão

mecânica, isso indica que a adesão das partículas nesse tipo de briquete foi maior. Obriquete de casca de arroz inteira que demonstrou-se menos rígida foi a com umidade de5%.

Já no ensaio de compressão dos briquetes constituídos de casca moída em MESH 10com diferentes níveis de umidade, a ruptura ocorreu nas amostras de 5% e 10% deumidade, apresentando, respectivamente, tensões de ruptura de 73,20 MPa e 86,79 MPa. Aamostra com teor de 10% de umidade possui o maior módulo de elasticidade entre as trêsamostras com a granulometria MESH 10, o que significa que é a amostra mais rígida, o queindica que houve uma maior adesão das partículas, nesse tipo de briquete. O briquete decasca de arroz moída em MESH 10 que demonstrou-se menos rígido foi o de umidade 5%.

De uma maneira geral, entre todos os briquetes produzidos, o que apresentou omelhor resultado foi o de casca de arroz moída em MESH 10 com 10% de umidade, poisnesse tipo de compactação, a energia necessária foi a menor quando comparada com aenergia do briquete, na mesma granulometria, com umidades de 5% e 15%, visto tambémque esse tipo de briquete não se mostrou esfarelento e, através do ensaio de compressão,percebeu-se que o material é o mais rígido entre aqueles moídos, apresentando, assim, umamelhor adesão das partículas na compactação.




43

7. CONCLUSÕES

Ao término deste projeto de iniciação científica, alguns pontos merecem destaque.O primeiro é que obteve-se êxito na realização das propostas tarefas de caracterização eestudo de secagem da casca. O segundo ponto de destaque é a quantidade considerável denovos conhecimentos adquiridos no decorrer do projeto, sendo que alguns destes não sãoabordados nas disciplinas de graduação em Engenharia de Energia, o que garantiu que osobjetivos acadêmicos propostos inicialmente no projeto fossem atingidos plenamente. Emterceiro lugar, é importante destacar a série de dificuldades encontradas no processo decompactação, devido principalmente à inviabilidade da briquetagem com prensas de 20 e25 t, e falta de disponibilidade de horário no uso da prensa de 45 t do laboratório de ensaiodos materiais da Feagri (Unicamp).

Os valores de densidade obtidos na determinação das características físico-químicasda casca de arroz in natura estão dentro dos valores encontrados na literatura, exceto ovalor da densidade real que não foi localizado na bibliografia consultada. Os dois valoresque mais desviam dos valores encontrados na literatura são os de carbono fixo e cinzas. Acomposição da casca de arroz pode variar em função do local onde foi plantado, com o tipode solo, com irrigação ou com adubação. Portanto, por esses motivos, a faixa de valoresencontrada nesse presente trabalho pode ser considerada próxima à apresentada naliteratura. Através das análises granulométricas, percebeu-se que, conforme a umidade dacasca de arroz aumenta, maior é o módulo de finura, isso ocorre devido a enrugação dacasca devido à remoção da umidade. Todas as etapas discutidas nesse parágrafo tiveramseus objetivos atingidos no contexto desse projeto.

Os ensaios de secagem para as temperaturas propostas foram realizados semmaiores problemas, obteve-se os resultados esperados. O modelo de Fick para placas planasse ajustou muito bem aos dados experimentais, e as curvas de secagem puderam sertraçadas convenientemente.

Na compactação ficou evidenciado que não é possível briquetar a casca inteirautilizando uma carga de 45t sem a presença de aglutinante. Inicialmente, não era esperadoter que utilizar uma carga tão alta para realizar a compactação, as buscas e dificuldades parasolucionar esses problemas causaram um atraso no cronograma inicial. Já para a cascamoída (moinho de facas com presença de peneira MESH 10) a briquetagem ocorreu com acarga de 45 t, sem a presença de aglutinante.

Entre todos os briquetes produzidos, o que apresentou o melhor resultado foi o decasca de arroz moída em MESH 10 com 10% de umidade, pois nesse tipo de compactação,a energia necessária foi a menor quando comparada com a energia do briquete, na mesmagranulometria, com umidades de 5% e 15%, visto também que esse tipo de briquete não semostrou esfarelento e, através do ensaio de compressão, percebeu-se que o material é omais rígido entre aqueles moídos, apresentando, assim, uma melhor adesão das partículasna compactação.



Assinaturas

44

_____________________________________________________Rafael Valim Xavier de Souza

Orientado

_____________________________________________________Profa. Dra. Juliana Tófano de Campos Leite ToneliOrientadora



Referências Bibliográficas

45

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Caracterização e Preparo da Biomassa Visando seu Aproveitamento Energético

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