Services
How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Queima direta de gramínea Projeto Integrado de Biomassa - PIB
Omar SeyeI; Luís Augusto Borbosa CortezII; Edgardo Olivares GómezII; Oscar BraunbeckII
IÁrea Interdisciplinar de Planejamento de Sistemas Energéticos, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Campinas/SP Fone: (19) 788-72 42 Fax: (19) 289-4717
IIFaculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Campinas/SP Fone: (19) 788-7242 Fax: (19) 788-1010
RESUMO
O programa Intregrado de Biomassa (PIB), coordenado pelo Instituto de Pesquisa Tecnológicas do Estado de São Paulo e financiado pela FINEP é composto de 7 sub-programas nos quais um de queima direta de gramíneas: colheita, secagem, transporte e combustão sob a responsabilidade da Unicamp.
Este trabalho descreve o andamento da parte de queima direta de Capim Elefante em forno intermitente típico utilizado na industria de cerâmica estrutural ( cerâmica vermelha). Os resultados parciais tem mostrados que a problemática do uso desta tipo de gramínea como alternativa para essas industrias, reside principalmente na sua alimentação.
Palavras-chave: Biomassa – queima direta - gramínea
1. INTRODUÇÃO
Os resultados aqui apresentados referem-se aos testes desenvolvidos como parte do PIB-Projeto Integrado de Biomassa, subprojeto Queima direta de biomassa, particularmente os testes relacionados com a possível utilização do capim elefante em fornos da industria de cerâmica vermelha.
Os dados obtidos correspondem com os resultados da realização de testes "a frio" e "a quente", da avaliação da eficiência energética de um forno intermitente para a produção de tijolos usando biomassa (cavaco de madeira, capim elefante e mistura capim elefante/cavaco de madeira). O teste "a frio" avalia a capacidade e o desempenho operacional do sistema de alimentação comumente utilizado nestas industrias. O teste "a quente" avalia a manutenção da temperatura requerida na saída da fornalha com alta eficiência da combustão quando é usado capim elefante ou mistura capim/cavaco como combustível.
O sistema de alimentação foi estudado detalhadamente empregando-se, inicialmente, como matéria-prima cavaco de madeira e capim elefante pré-condicionado e numa segunda fase mistura capim/cavaco em diferentes proporções. Foram obtidas informações técnicas relacionadas com as características construtivas e operacionais do sistema de alimentação avaliado.
As biomassas usadas foram também caracterizadas no laboratório de Termodinâmica e Energia da Faculdade de Engenharia Agrícola - FEAGRI / UNICAMP. As análises realizadas no acompanhamento deste teste foram: umidade do material e densidade à granel (bulk density), propriedades importantes na avaliação do desempenho do sistema de alimentação.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Características construtivas e de operação do forno
O forno é do tipo intermitente e tem 4 câmaras de queima de geometria retangular, com teto em forma de bóbada construído em alvenaria de tijolos comuns. Cada câmara de combustão tem aproximadamente 2.510 mm de altura, 1.500 mm de largura e 1.100 mm de profundidade. Apresenta uma grelha construída de tijolos refratários do tipo furado, inclinada 45º em declino em direção para a parede frontal posterior da câmara.
Cada "boca" da câmara de combustão tem 520 x 520 mm aproximadamente, sendo este ponto usado para colocar o duto da rosca de alimentação do sistema mecânico de alimentação de combustível. 450 mm por baixo de cada "boca" de alimentação existe uma entrada de seção circular para o ar de combustão. No caso de usar alimentadores mecânicos o ar de combustão é suprido por meio de um ventilador, parte integrante do sistema de alimentação, e acionado por um motor elétrico próprio. A vazão de ar de combustão pode ser regulada através de uma válvula tipo "damper", colocada na sucção do ventilador. O forno tem 11.200 mm de comprimento por 5.650 mm de largura e 2.510 mm de altura.
A carga de tijolos a ser "queimada" fica adequadamente distribuída numa área situada na parte posterior do forno, bem atrás das câmaras de combustão. Os gases da combustão saindo através de canais situados na parte superior da câmara "banham", de cima para baixo, a carga de tijolos, sendo depois levados até a chaminé através de um canal subterrâneo situado na base do forno, sob o princípio de tiro natural da chaminé. Deve ficar bem claro que os gases saindo pelos canais superiores das câmaras de combustão, não "banham" somente uma carga definida de tijolos, mas sim misturam-se com os gases provenientes das outras câmaras para de esta forma "banhar" a carga total. Durante a queima a temperatura dentro da câmara pode ser variada a partir do aumento ou diminuição da abertura do registro situado no canal indo para chaminé. Na fase de resfriamento este registro é fechado e o registro localizado no canal indo para a estufa (secador) aberto e, sob o principio de tiro forçado (um ventilador é colocado na porta lateral do forno) os gases quentes são levados para a estufa e são aproveitados para secar os tijolos úmidos que irão ser queimados em seguinte. A figura 1 mostra um esquema de um forno típico da Cerâmica Nossa Senhora Auxiliadora.
2.2. Descrição do sistema de alimentação
O alimentador utilizado nestes testes foi construído pela empresa Irmãos Lippel e Cia Ltda. da Agrolândia, Santa Catarina.
É composto basicamente de um silo de estocagem de secção cônica, na parte inferior do qual encontra-se uma rosca-sem-fim para o transporte e injeção do material sendo alimentado na câmara de combustão. O diâmetro da rosca-sem-fim é de aproximadamente 200 mm e do duto por onde a rosca se movimenta de aproximadamente 260 mm. A rosca-sem-fim é de passo constante e comprimento aproximado de 1.300mm. A sua movimentação é feita através de transmissão por meio de polia e correia, redutor de velocidade e motor elétrico. O motor elétrico tem uma potência de 1 C.V., velocidade de rotação de 1.750 r.p.m. e frequência de 60 Hz.
O conjunto de transmissão de potência é também composto por 4 polias de tamanhos diferentes, o que possibilita uma transmissão com velocidade variável. Um braço de tamanho regulável acoplado a um disco de 340 mm de diâmetro permite variar a velocidade da rosca-sem-fim através da variação da excentricidade do braço em relação ao disco. Com isto é possível variar então a velocidade de rotação da rosca-sem-fim e também da taxa e frequência de alimentação. Um ventilador centrifugo compõe-se como parte integrante do sistema de alimentação.
2.3. Insumos energéticos
A industria de cerâmica vermelha Nossa Senhora Auxiliadora localizada no município de Vinhedos-SP, utiliza basicamente cavacos de madeira na produção de tijolos. Este material provêm da industria de madeira da própria região, tendo atualmente como custo somente o frete, de maneira que são muito grandes as quantidades deste material armazenadas em áreas da própria cerâmica.
O cavaco de madeira apresenta boas características energéticas dada a sua elevada densidade energética (MJ/m3) e melhor desempenho no que diz a respeito do seu escoamento em silos. É por estas razões que é considerado, atualmente, o combustível mais adequado para a produção de energia na industria de cerâmica vermelha, quando a alimentação é feita através de sistemas mecânicos usando-se rosca-sem-fim e silo para o suprimento do material.
O capim elefante (Pennisetum purpurem Schum) é uma gramínea com boas perspectivas de produção em larga escala. Experimentos conduzidos no Instituto de Zootecnia de Nova Odessa - SP, dentro do projeto PIB demostraram essa potencialidade, embora estudos mais conclusivos ainda necessitam ser realizados para comprová-la.
O capim elefante é uma espécie adaptada a altas temperaturas e umidade, entretanto tolera temperaturas baixas antes de interromper o crescimento (Jacques, 1990). Essa gramínea mostra alto potencial de produção de matéria seca, havendo estudos que mostram respostas a adubação nitrogenada da ordem de 1800 kg de nitrogênio/há/ano, todavia, as doses mais eficientes estão próximas de 450 kg/há/ano (Corsi, 1972 e Jacques, 1990)
Pelas suas próprias características físicas, o capim elefante "solto" é um material de baixa densidade energética, quando comparado com a lenha, sendo muito baixa a sua densidade a granel (aproximadamente 50-60 kg/m3 em média um teor de umidade em torno de 10 % (base úmida)). Além do que, este material é de difícil escoamento durante a sua alimentação através de sistema que usam silos.
Outras características do capim elefante estão listadas na tabela 1
3. RESULTADOS E CONSIDERAÇÕES FINAIS
3.1. Resultados dos testes de alimentação usando-se cavacos de madeira e capim elefante
Os testes "a frio" do conjunto de alimentação tinham por objetivo, avaliar o desempenho deste equipamento quando trabalhando com capim elefante e cavaco de madeira, constituindo-se este último numa referência para a nossa discussão. O estudo do desempenho do sistema considerou a sua operação em dois regime de velocidades de rotação da rosca-sem-fim de transporte e injeção do combustível ao forno. As velocidades de rotação ensaiadas foram de 2 r.p.m (mínima), considerada como a velocidade comumente utilizada durante a operação normal dos fornos com cavaco de madeira, e de 4 r.p.m., máxima velocidade permissível nos ensaios realizados.
3.1.1. Testes de desempenho do sistema de alimentação com cavacos de madeira
Numa primeira parte do teste foi ensaiado o sistema usando-se cavacos de madeira. Como já se disse anteriormente, o cavaco de madeira devido principalmente a sua relativa densidade a granel (bulk density), apresenta bom comportamento físico durante o seu escoamento em silos. Este comportamento é bem conhecido e foi observado durante estes trabalhos, sendo que os alimentadores, durante a operação corrente do forno, são carregados de forma contínua na medida que vão se esvaziando, não precisando-se necessariamente de operações manuais adicionas no alimentador para melhorar o seu desempenho.
Numa "fornada" um operário só é o suficiente para garantir a operação de carregamento dos alimentadores com cavacos de madeira.
Os ensaios com cavacos de madeira foram realizados a velocidade de rotação da rosca de 2 r.p.m, a qual era a recomendada segundo as informações oferecidas pela própria Cerâmica. Foram registrados dados da vazão mássica de material, velocidade de rotação da rosca e frequência de alimentação, além do que, foi observado o próprio desempenho operacional do sistema como uma função da sua flexibilidade e funcionalidade durante uma recarga do silo de estocagem e a seguinte, e da capacidade efetiva de entrega da rosca.
Para tanto, determinou-se a quantidade de material descarregado pela rosca-sem-fim num período de tempo de 1 (um) minuto. Ao mesmo tempo era retirada uma amostra deste material para posterior determinação do teor de umidade e densidade a granel.
Os resultados experimentais foram estudados estatisticamente pelos intervalos de confiança com aplicação do teste "t" de Student para médias com nível de significação de 5%.
Na tabela 2 mostra-se a análise estatística para os testes com cavacos de madeira.
A análise estatística realizada para a condição de operação do sistema de alimentação com cavacos de madeira mostrou-se satisfatório, o que demonstra a viabilidade e o bom desempenho operacional. A capacidade de entrega reflete um desvio padrão maior provavelmente devido a erros sistemáticos derivados do próprio funcionamento frequêncial ou intermitente da rosca-sem-fim. Já as análises laboratoriais de densidade a granel e umidade do material apresentam resultados bem mais compatíveis.
3.1.2. Testes de desempenho do sistema de alimentação com capim elefante "solto"
Numa segunda parte dos testes, 3 (três) fardos de capim elefante foram previamente desfeitos e adequadamente misturados, sendo imediatamente carregado o silo de estocagem do alimentador com este material, da mesma forma como foi carregado o silo usando-se os cavacos de madeira.
Em seguida foi acionado o motor elétrico do sistema de alimentação e colocado o mesmo em regime de operação, a uma velocidade de rotação da rosca-sem-fim de aproximadamente 2 r.p.m. Alguns segundos após o inicio da alimentação foram coletadas as amostras de material "solto" em sacos plásticos para posterior pesagem, e medido 1 minuto de tempo de amostragem com cronômetro. Foram também retiradas amostras para análise de densidade à granel e umidade do material.
Na tabela 3 estão os resultados da análise estatística das variáveis medidas durante os testes com capim elefante.
Uma análise destes dados mostra resultados satisfatórios e coerentes no que diz a respeito das variáveis densidade a granel e umidade do capim elefante. Os valores de densidade a granel estimados foram comparados com os valores publicados em outros trabalhos para bagaço e palha de cana (OLIVARES, 1996 e NEIVA, 1998).
A vazão mássica de capim elefante descarregado pela rosca-sem-fim, porém, reflete em primeiro lugar, um valor muito baixo em comparação com o cavaco de madeira, o que já era de se esperar considerando que o teste foi realizado à mesma velocidade de rotação da rosca-sem-fim, e a diferença de densidade entre ambos materiais lignocelulósicos é significativa. Em segundo lugar observa-se um desvio padrão quase igual a 2 vezes o valor médio desta variável, o que é resultado da operação instável da rosca-sem-fim de alimentação, motivado pelos problemas já conhecidos de formação de arcos no silo de estocagem, e consequentemente, da instabilidade na vazão de material sólido sendo descarregado.
Na tabela 4 são mostrados os resultados das medições feitas neste estudo considerando-se uma velocidade de rotação da rosca-sem-fim de 4 r.p.m.
3.2. Considerações gerais sobre os testes "a frio" realizados
O objetivo geral desta pesquisa em princípio é estudar a viabilidade técnica de utilizar a gramínea "capim elefante" na industria de cerâmica vermelha, de maneira que ela se constitua numa fonte energética alternativa atrativa, sobretudo, em regiões onde os custos com os suprimentos biomássicos mais comumente utilizados nesta industria, a lenha e os resíduos da madeira (cavacos e serragem), sejam tal que permitam que o capim elefante e outras biomassas polidispersas, como o bagaço e a palha de cana-de-açúcar, possam-se inserir no mercado de combustíveis para a produção de tijolos, entre outros.
Entretanto, para viabilizar o seu uso é imprescindível, primeiramente, estudar e redefinir os atuais sistemas de alimentação mecânica que comumente são utilizados na industria de cerâmica vermelha, os quais estão projetados para operar regularmente com materiais de elevada densidade a granel (bulk density), como é o caso do cavaco de madeira.
Fala-se de redefinição do projeto destes tipos de alimentadores mecânicas visando-se garantir um conjunto de alimentação que cumpra algumas regras básicas que permitam a operação em regime estável e adequado de combustão dos fornos, entre estas temos:
1. Deve ser um sistema construtiva e operacionalmente simples, porém automatizado, compacto e de baixo custo;
2. Deve ser operacionalmente funcional e flexível às demandas energéticas do forno e do combustível sendo usado;
3. Deve garantir uma alimentação uniforme e estável de maneira a manter o regime térmico na câmara de combustão, e consequentemente, as temperaturas recomendadas.
Esta parte da pesquisa buscou avaliar o desempenho de um sistema de alimentação mecânico trabalhando com capim elefante.
Os resultados mostraram que durante a operação do sistema de alimentação com capim elefante "solto", logo alguns minutos após o inicio da alimentação, começaram a se manifestar insuficiências na capacidade de entrega da maquina, primeiro um descarregamento cíclico, depois um fluxo pobre de material e finalmente a falta de material sendo descarregado. Na grande maioria dos casos isto é devido a problemas relacionados, principalmente, com a dificuldade no escoamento do material dentro do silo, problemas que são bem conhecidos e reportados na literatura técnica (BATES, 1994). Em essência ocorre a formação expontânea de um arco bem na saída do silo (tremonha), o qual é capaz de suportar a massa estagnada de material. Como era de se esperar a vazão mássica de capim elefante aumento com o incremento da velocidade de rotação da rosca, inclusive quase proporcionalmente. Porem, os valores são ainda muito baixos quando comparados com os valores obtidos para resíduos de madeira, o que, nestas condições, resulta inviável a operação do forno.
3.3. Resultados dos testes de queima usando-se capim elefante
Os testes de queima tem por objetivo, avaliar a capacidade energética do capim elefante para fornecer e manter a temperatura requerida na saída da fornalha com alta eficiência da combustão.
Para tanto, tomou-se como critério manter a temperatura na faixa de 1000ºC, temperatura considera ideal no período da queima quando se trabalha com resíduo de madeira. Foram feitos tomada de temperaturas em pontos situados em diferentes níveis do forno. Diante da dificuldade de alimentação do capim elefante solto, experimentou-se misturas em varias proporções. A tabela 4 mostra as proporções (em volume) testadas, o regime de funcionamento do alimentador, as vazões e as temperaturas medias atingidas. Na figura 2 tem-se os perfis de temperaturas.
A fornalha 1 reflete a capacidade da mistura 50% de capim com 50% de resíduo de madeira de manter a temperatura necessária na câmara 1. A fornalha 2 sendo alimento com 100% de resíduo de madeira foi considero com padrão para este tipo de forno.
Os intervalos de tempos t1 - t2 e t3 - t4, representam os momentos em que o alimentador foi operado com velocidade normal e as demais espaços de tempo com velocidade máxima. . O que deixa claro a necessidade de operar o alimentador com velocidade máxima a fim de garantir uma vazão de material que possa assegurar a temperatura requerida na saída da fornalha. A tabela 5 mostra as temperaturas medias atingidas durante os testes.
Preliminarmente, pode - se dizer que, quando o capim elefante é normalmente alimentado, isto é de forma continuo e regular, este último pode fornecer a temperatura necessária na saída da fornalha para assegurar o processo térmico na industria de cerâmica vermelha.
Num próximo passo estaremos avaliado a eficiência energética do forno sendo alimentado em todas as suas bocas com a mesma mistura que foi testado.
REFERÊNCIAS
Bates, L., 1994. The Storage, Feed and Collection of Loose Solids. Powder Handling and Processing, vol. 6, nº 2
Corsi, M. Estudo da produtividade e valor nutritivo do capim elefante Pennisetum purpureum Schum, variedade Napier, submetido a diferentes frequências e alturas de corte. Piracicaba, ESALQ, 1972, 239p. Tese de Doutorado.
Jacques, A.V.A. Fisiologia do crescimento do capim elefante. In: Carvalho, L. de A.; carvalho. M.M.; Martins, C.E.; Vilela, D. eds. Simpósio sobre capim elefante. Anais. Coronel Pacheco: Embrapa-CNPGL, 1990.
Neiva, B. A. C., 1998. Estudo da Alimentação de Bagaço de cana em Reatores Atmosféricos. Tese de Mestrado, FEM – UNICAMP.
Olivares, G. E., 1996. Projeto, Construção e Avaliação Preliminar de um reator de leito fluidizado para gaseificação d bagaço de cana-de-açúcar. Tese de Mestrado, FEAGRI – UNICAMP.
