1. Introdução

A necessidade de buscas por novas fontes de energia limpa, como a biomassa,

vem sendo levada em consideração devido ao cenário atual em que se encontra o

mundo. Devido a essa necessidade, novas linhas de pesquisas vêm sendo feitas sobre

biomassa. A motivação para essa mudança de postura é a necessidade de redução do uso

de derivados do petróleo e, consequentemente, a dependência energética do consumo de

petróleo. Além disso, a redução no consumo dos derivados do petróleo diminui a

emissão de gases causadores do efeito estufa.

A biomassa é utilizada para a produção de energia a partir de processos como a

combustão de material orgânico produzida e acumulada em um ecossistema, porém nem

toda a produção primária passa a incrementar a biomassa vegetal do ecossistema. Parte

dessa energia acumulada é empregada pelo ecossistema para sua própria manutenção. A

queima de biomassa provoca a liberação de dióxido de carbono na atmosfera pela planta

que deram origem ao combustível, o balanço de emissões de CO2 é nulo. Tipos

de Biomassa: Resíduos florestais (lenha); Resíduos agrícolas e indústrias agro-

alimentares; Excrementos de animais; Esgotos urbanos;

Dos resíduos florestais, destaca-se a produção de carvão vegetal a partir destes.

O carvão vegetal é uma das fontes de energia mais usada no mundo. Não só para a

produção de energia, mas para vários fins, como a produção de medicamento e filtros.

Carvão vegetal é um elemento obtido a partir da queima de madeira, sua

utilização é comum como combustível para aquecedores, lareiras, churrasqueiras e

fogões. O carvão com finalidade medicinal é o carvão ativado oriundo de madeiras

específicas e com aspecto mole e não resinosas. Além disso durante a produção do

carvão vegetal, são obtidos alguns subprodutos, como o alcatrão vegetal, que também

pode ser aproveitado.

No Brasil o maior consumidor de carvão vegetal é o setor siderúrgico 85% para

produção de ferro gusa, 9 % residenciais e 1,5 % pizzarias, padarias e churrascarias.

Com a finalidade de se tornar uma atividade sustentável a produção deste bicombustível

deve seguir parâmetros de replantio ordenado , a transformação da madeira em carvão

deve acontecer em fornos apropriados de forma a obter um melhor rendimento por área

plantada, e ainda deve-se utilizar a recuperação do subprodutos.

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2. O carvão vegetal

O carvão vegetal é um material negro, poroso, contendo 85-95 % de carbono,

obtido pela destilação destrutiva da madeira a 500-600ºC em ausência de ar. É usado

principalmente para a combustão, como fonte de calor para produção de vapor,

necessário à geração de eletricidade. Alguns tipos de carvão podem ser usados para

fabricação de coque metalúrgico, requerido como redutor na produção de ferro a partir

do minério, óxido de ferro. Para a fabricação de uma tonelada de carvão vegetal são

necessários 2,2 toneladas de toras de eucalipto, que é uma árvore de crescimento rápido

da família das mirtáceas, gênero Eucalyptos. O carvão é ainda a base da fabricação de

combustíveis líquidos e de toda uma indústria de compostos químicos aromáticos, a

carboquímica.

Na natureza, a transformação do material vegetal em carvão em carvão obedece

à sequência: madeira, turfa, linhito, hulha, antracito. A tabela abaixo mostra o poder

calorífico, isto é, a quantidade de calor produzida quando a unidade de peso de um

combustível é completamente queimada e os produtos de combustão são resfriados a

temperatura original. Os valores se referem aos diferentes tipo de carvão mineral e são

comparados ao valor médio da madeira (lenha).

Tabela 1 - Poder calorífico de diferentes tipos de material carbonáceo

FONTE: (FERREIRA, 2000)

3. Métodos de produção

O carvão vegetal é produzido a partir da pirólise ou queima da madeira, material

predominantemente orgânico, em um ambiente onde a temperatura e a atmosfera

(entrada de ar) são devidamente controladas, para que haja a remoção da maior parte

dos componentes voláteis (BARROSO, 2007). Este processo também é chamado de

“destilação seca da madeira” ou “carbonização” devido ocorrer a eliminação da maior

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parte dos componentes voláteis da madeira e a concentração de carbono no carvão

vegetal produzido.

Desse processo ilustrado pela figura 1 resulta a fase sólida que é o carvão

vegetal e a fase gasosa que é a fumaça. Da fumaça condensada se obtém o licor

pirolenhoso e o alcatrão insolúvel. O licor pirolenhoso é composto de ácido

pirolenhoso, que pode ser definido como uma solução aquosa de ácidos acético e

fórmico, metanol e alcatrão solúvel, além de outros constituintes menores. Os gases

não-condensáveis consistem de compostos gasosos de carbono (CO2, CO, CnHm) e

nitrogênio. Para Ferreira (2000), a análise do carvão e da matéria volátil mostra que sua

composição depende fortemente da temperatura de carbonização, da espécie vegetal que

fornece a madeira e da idade da árvore.

Figura 1 - Modelo-esquemático da produção de carvão vegetal a partir da carbonização da madeira em

fornos de alvenaria (FONTE: BARROSO, 2007)

3.1. Processo de carbonização

O processo de carbonização pode ser dividido em 4 fases, dependendo da faixa

de temperatura alcançada (COELHO, 2008):

Até 200°C: Ocorre a secagem da madeira. O processo é endotérmico,

verificando-se a liberação de H20, traços de CO2, HCOOH, CH3COOH e glioxal.

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280ºC: O processo ainda é endotérmico, com a liberação de H2O, CO2,

HCOOH, CH3COOH e glioxal e um pouco de CO. Nesta etapa, destaca-se o início da

liberação de produtos com alto poder calorífico.

500ºC: O processo é exotérmico e auto-sustentável. Ocorrem reações

secundárias com os produtos da pirólise primária. Verifica-se a liberação de CO, CH4,

HCHO, CH3COOH, CH3OH, H2 e alcatrões. Forma-se o resíduo da pirólise: o carvão

vegetal.

Acima de 500ºC: Processo indesejado, pois a H2O e o CO2 reagem com o

carvão, produzindo CO, H2 e HCHO, e diminuindo, portanto, o rendimento. Ocorrem

também reações de pirólise dos gases efluentes da etapa anterior.

A temperatura de carbonização influencia diretamente no rendimento de carvão

vegetal produzido e também em sua composição elementar, conforme pode ser visto na

tabela abaixo.

Tabela 2 - Rendimento em função da temperatura

FONTE: LEPAGE el al. (1986)

A maioria dos fornos opera com temperatura de carbonização entre 500 e 600ºC,

pois nesta faixa de temperatura obtêm-se um carvão vegetal de alta qualidade, ou seja,

com alta concentração de carbono e rendimento razoável LEPAGE et al. (1986).

Com relação à origem do calor para o processo, o sistema de produção pode ser

classificado em sistemas com fonte interna de calor ou por combustão parcial e sistemas

com fonte externa de calor. Sistemas com fonte interna de calor são aqueles onde o

calor é oriundo da combustão de parte da carga destinada à carbonização. Cerca de 10%

a 20% do peso da madeira enfornada como matéria-prima é queimada para gerar o calor

necessário, dentro do próprio forno. O rendimento gravimétrico nesse caso (relação

volume carvão / volume madeira) não ultrapassa os 40%. Nos sistemas com fonte

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externa de calor, esse é fornecido a partir da queima de resíduos florestais e restos de

madeira não aproveitáveis no processo em uma câmara de combustão externa ao forno.

Dessa forma, toda a madeira é, teoricamente, convertida em carvão vegetal elevando a

produtividade em 30% (BRITO, 1990).

De acordo com Coelho (2008), no Brasil o sistema de produção de carvão

vegetal mais comumente utilizado é o de fonte interna de calor, devido ao seu baixo

custo de instalação e manutenção, compensando, assim, a baixa produtividade

alcançada.

Para Brito (1990), o carvão vegetal brasileiro ainda é hoje produzido, em sua

maior proporção, da mesma forma como o era há um século. A tecnologia é primitiva, o

controle operacional dos fornos de carbonização é pequeno, e não se pratica o controle

qualitativo e quantitativo da produção. Novas tecnologias estão totalmente disponíveis,

mas devido à baixa capitalização dos produtores brasileiros e aos riscos de produção

associados às tecnologias desconhecidas, a produção de carvão no país ainda é arcaica.

Os fornos para a produção de carvão vegetal normalmente encontrados são os de

alvenarias como forno meia-laranja ou “rabo-quente”, forno de encosta ou de barranco e

o forno colmeia ou de superfície.

Brito (1990) explica que além dos fornos de alvenaria mencionados há também a

opção da carbonização contínua ou retorta mostrada pela figura 4 que em geral utiliza a

combustão externa de gases recuperados do próprio processo para a geração de calor,

melhorando assim a eficiência de conversão. Pode ser construída vertical ou

horizontalmente, em material metálico, e com dimensões que permitem grandes

produções num único equipamento. A qualidade do carvão vegetal é melhor e mais

homogênea. Modernamente, há exemplos de retortas que, individualmente, pode chegar

a produzir por ano o equivalente a 350 fornos de alvenaria do tipo colmeia, com

capacidade para 35 m3 de madeira.

Para Ferreira (2000), na maioria das retortas, além da recuperação e queima dos

gases do próprio processo para a geração de calor, prevê-se também a obtenção de gases

inertes, que são utilizados no resfriamento do carvão produzido. Em muitas concepções

de retortas, com a recuperação de gases, pode-se prever também a obtenção de produtos

químicos contidos nos mesmos. Qualitativamente, a gama de produtos que podem ser

obtidos desses gases é bastante grande. Na prática, os compostos químicos são

recuperados na massa de dois produtos líquidos básicos condensáveis: o alcatrão e o

licor pirolenhoso.

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A figura abaixo ilustra um esquema de uma instalação com recuperação de

alcatrão.

Figura 3 - Esquema de uma instalação com recuperação de alcatrão

(FONTE: FERREIRA, 2000)

3.2. Fatores que influenciam na carbonização

No processo de fabricação de carvão, por mais artesanal que a maioria dos

métodos seja, existem variáveis importantíssimas no seu processo, como as relatadas a

seguir:

Temperatura de carbonização: É inversamente proporcional a velocidade de

carbonização e implica diretamente na qualidade do carvão;

Velocidade de carbonização: Quão maior a temperatura, menor o tempo de

carbonização, e vice-versa, isso também implica em rendimento. Então isso já nos deixa

indiretamente explicito que deve haver um balanço entre velocidade e temperatura de

combustão, visando a busca de uma melhor qualidade e rendimento;

Combustão no forno de carbonização: É o método em que haverá a combustão,

se interna ou externa;

Tipo de biomassa: nessa variável temos outros fatores que influenciaram no

processo, como a composição da madeira, seu teor de umidade e as dimensões da

madeira, como seção transversal.

Tipo do forno: As principais variáveis intercaladas ao tipo do forno são: Perdas

térmicas, entradas de ar, tiragem e pressão.

3.3. Tipos de forno de carbonização

Existem fornos para a produção de carvão de diferentes características, desde

artesanais usados desde 20.000 anos AC até carvoarias de desempenho apreciável sem a

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necessidade de trabalho em situações deploráveis ao homem, situações que serão

abordadas nos próximos tópicos do trabalho.

Abaixo iremos destacar os tipos de fornos de carbonização da madeira, e sendo

assim inicialmente iremos dividi-los em dois grupos. Os artesanais e os tecnológicos.

3.3.1. Artesanais

Os fornos artesanais, que são os usados tradicionalmente são controlados

segundo a experiência do “operador”, chamado de carvoeiro. Normalmente as técnicas

usadas por esses homens para o controle da batelada de carvão produzido se baseiam na

cor, cheiro e volume da fumaça e da temperatura do forno, onde esta é geralmente

medida manualmente (literalmente), pois é apalpando o forno que eles sabem o horário

de tirar a carga por exemplo. O principal objetivo desse método é a grande

produtividade volumétrica e monetária, pois os valores pagos aos funcionários são

normalmente baixíssimos. Abaixo os tipos de fornos e suas principais características:

Rabo-quente: É o mais comum e o mais usado no Brasil, seu rendimento é de no

máximo 30% e normalmente gira em torno de 20 a 25%. Uma característica marcante

desse tipo de forno são as várias fissuras para a entrada de ar.

Figura 4 - Forno do tipo rabo-quente (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Forno Colmeia (de superfície): Usado normalmente em indústrias de produção

de ferro-gusa, oferece um método produtivo onde o carvoeiro não tem tanta exploração

de mão-de-obra por pertencerem a siderúrgicas, e essa serem fiscalizadas com maior

rigorosidade e também frequência. Por já ter uma tecnologia arquitetônica favorável tem

um rendimento levemente superior, máximo de 35% e normalmente entre 25 e 30%.

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Figura 5 - Forno tipo colméia (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Forno de Encosta: Este tipo de forno usa as encostas da inclinação do relevo

como fator favorável para sua construção. Apresentam assim como o forno colmeia um

rendimento máximo de 35%, e típico entre 25 e 30%.

Figura 6 - Forno tipo encosta (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Forno Mineirinho: O forno “Mineirinho” é uma versão melhorada do rabo-

quente, em que as diversas entradas de ar que caracterizam o primeiro são substituídas

por uma chaminé e por um “tatu” ou entrada de ar. Apenas essa modificação permite

aumentar o poder de controle do processo de carbonização. Trata-se, da mesma

maneira, de uma semi-esfera de tijolos rejuntados de barro. O rendimento desse tipo de

forno é de aproximadamente 30 a 35%, mas pode chegar a valores muito próximos de

40%.

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Figura 7 - Forno tipo Mineirinho (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Forno Retangular: Os fornos retangulares foram implantados visando a semi ou

a mecanização do processo e, pelas suas dimensões, permite carbonizar volume de lenha

variável atingindo produção de até 100m³ de carvão. Esse processo é necessário uma pá

carregadeira por exemplo, e ajudantes para abrir e fechar a porta principal e pegar os

pequenos carvões, ou tiço. Nesse tipo de forno também há outras portas de acesso

secundário.

Figura 8 - Forno tipo retangular, vista aérea (FONTE: PINHEIRO, 2009)

3.3.2. Tecnológicos

Esses fornos tecnológicos visão realizar um controle avançado sobre a produção

de carvão, usando medições de massa e umidade, medições de temperatura, a fim de

garantir condições ótimas de carbonização, evitando a queima da carga gerando maior

rendimento, o qual é o grande objetivo desses tipos. Abaixo alguns modelos usando

uma tecnologia mais avançada:

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Forno DPC: Têm uma carbonização realizada em atmosfera controlada, e na

ausência de ar. Nesse tipo de processo, não existe a diluição dos produtos gasosos da

carbonização com o nitrogênio do ar, Os produtos da carbonização possuem alto poder

calorífico, e são de fácil combustão. Outra vantagem é que os excedentes térmicos no

processo podem ser usados em outros processos. Esse processo também utiliza um

sistema chamado roll-on de carga e descarga, onde a carga de madeira é colocada na

caçamba de um caminhão com essa tecnologia. Essa caçamba é colocada

mecanicamente por braços pneumáticos dentro do forno. Após o processo, por esses

mesmos braços, essa caçamba é retirada, já com o carvão pronto.

Figura 9 - Forno tipo DPC (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Retorta Contínua Acesita: Essa tecnologia tem capacidade de 15 t/dia. Operou

de 1987 a 1994 em Turmalina – MG. O tempo total de carbonização era de 6 horas e de

resfriamento 4 horas. Oferecia um rendimento médio de 34%, mas podia variar entre 30

e 40%.

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Figura 10 - Retorta contínua ACESITA (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Carboval V&M 2009: é uma retorta de carbonização contínua, usando sistema

Lambiotte Premery. Foi instalada em Paraopeba – MG e sua inauguração foi em abril de

2008. Tem uma capacidade de produção de 7.500 t/ano. Custou cinco milhões de

dólares e com a instalação de um sistema de co-geração de energia, custou mais um

milhão e meio de dólares. Oferece rendimento de 30 a 40%.

Figura 11 - Retorta de Carboval V&M 2009 (FONTE: PINHEIRO, 2009)

Como podemos visualizar, existem investimentos para aumentar o rendimento

das empresas produtoras de carvão vegetal e diminuir o trabalho braçal (principalmente

os com exploração), mas no Brasil ainda haverá muito tempo para que ocorra essa

conscientização, que possivelmente irá aumentar somente com a fiscalização mais

rígida do governo, criando punições severas a empresas e seus respectivos donos que

continuarem a trabalhar de forma exploratória e sem condições.

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Tabela 3. Tipos e caracterizas dos fornos

FONTE: PINHEIRO, 2009

4. Características dos principais subprodutos da carbonização

Doat e Briane (1985, citados por Brito 1990), apresentaram em seu estudo um

balanço global da conversação da madeira em carvão vegetal submetido à temperaturas

de até 500 °C, em condições laboratoriais, demonstrando que somente 31% da madeira

é convertida em carvão vegetal e os outros 69% transformam-se em produtos

volatilizados.

Desses produtos voláteis, aproximadamente 28% são os gases não condensáveis,

formados pelo monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e hidrocarbonetos.

Já o restante (82%), corresponde aos gases condensáveis, formados pelo vapor d’água e

produtos orgânicos, que por sua vez, são constituídos pelo metanol, ácido acético,

aldeídos, breu, piche e diversas substâncias aromáticas e fenólicas.

4.1. O alcatrão Vegetal

O alcatrão vegetal é um produto obtido a partir da recuperação e condensação

dos gases (fumaça) produzidos durante a carbonização vegetal. A recuperação de

produtos químicos a partir do alcatrão vegetal tem, como etapa inicial, a destilação

fracionada. Normalmente, são separadas quatro frações e um resíduo designado como

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piche vegetal. Os cortes de destilação são realizados com base na temperatura de vapor

dos destilados, e os rendimentos médios obtidos em cada separação (Tabela 4).

Tabela 4 - Cortes e rendimentos médios em destilação de alcatrão vegetal

FONTE: (BENITES, 2009)

O alcatrão é a parte negra e oleosa do condensado, sendo mais denso e viscoso

que o licor pirolenhoso, separado desse pela simples decantação e destilação. Como

possui um alto número de compostos fenólicos, pode ser utilizado para fins químicos,

farmacêuticos, preservativos de madeira, na produção de solventes, tintas, vernizes,

combustível para a cocção, geração de vapor, secagem da madeira, eletricidade,

iluminação. Além disso, a mistura dos finos do carvão com o alcatrão pode ser utilizada

em caldeiras (PINHEIRO, 2009).

4.2. O licor pirolenhoso

O licor pirolenhoso é uma parte aquosa e marrom do líquido condensado. É

composto de 80% de água e o restante subdividem-se em ácido acético, metanol e

acetona. Possui grande aplicação na agricultura orgânica, pois aumenta a absorção de

nutrientes pelas plantas e ainda age como defensivo natural, além de possuir baixo risco

de toxidez tanto para o agricultor quanto para o consumidor final.

O ácido acético é utilizado principalmente na indústria química e na produção do

pigmento branco, sendo também utilizado em filmes, lacas, plásticos, pele artificial,

solventes, curtumes, indústria de inseticidas e sabão. Já o metanol é geralmente

utilizado na fabricação de vernizes e lacas, formaldeído e resinas sintéticas.

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5. Conclusões

A produção de carvão vegetal é um processo relativamente complexo, onde

existem diversos fatores a serem levados em consideração. A cada dia que passa, a

tecnologia neste ramo aumenta, assim como em qualquer outro processo produtivo.

Por mais que possa ser utilizados resíduos florestais para amenizar os impactos

ambientais, e seja realizada a recuperação dos subprodutos, a produção do carvão

vegetal trás consequências ao meio ambiente. Como a geração de gases que contribuem

para o aquecimento global. E também, problemas com o trabalho. Inúmeras vezes a

mídia mostra problemas com carvoarias que discriminam o trabalho: trabalho escravo,

trabalho infantil, etc.

Apesar desses empecilhos, o carvão vegetal pode ser considerado uma das

principais fontes de energia no futuro. Tendo como base para a geração, florestas

plantadas e resíduos madeireiros, gerados durante o processamento mecânico da

madeira.

6. Referencias Bibliográficas

BARROSO R. C. Redução do teor de cinzas dos finos de carvão vegetal por concentração gravítica a seco. (Reduction of the charcoal ash content by concentration based on gravity methods). Dissertação de Mestrado. UFMG. 111 pp. (2007)

BENITES V. M. et al., Utilização de Carvão e Subprodutos da Carbonização Vegetal na Agricultura: Aprendendo com as Terras Pretas de Índio, Biochar.org, 2009. Disponível em: http://www.biochar.org/joomla/images/stories/Cap_22_ Vinicius.pdf. Acesso em: outubro de 2012. 

BRITO, José Otávio. Princípios de produção e utilização de carvão vegetal de madeira. USP/ESALQ. – Documentos Florestais: Piracicaba (9): 1-19, maio 1990.

COELHO S. T. et al. Carvão vegetal. Aspectos técnicos, sociais, ambientais e econômicos. Nota Técnica CENBIO nº X. 48 pp. (2008).

CORTEZ, Luís A. B. LORA, Electo E. S. GÓMEZ, Edgardo O. Biomassa para energia. Editora: UNICAMP, 2009.

FERREIRA, O.C. Emissão de gases de efeito estufa na produção e consumo do carvão vegetal. n. 21. 2000.

LEPAGE, E.S.; et al. Metodos de tratamento. In: LEPAGE, E.S., (Coord.). Manual de preservação de madeiras. São Paulo: IPT, 1986. v.2, p.343-419.

PINHEIRO, Paulo Cesar C., Seminário “Encuentro Regional sobre biocombustibles y Energias Renovables”, UDELAR, Montevidéu, Uruguai, 2009.

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