Serviços
Como citar este trabalhoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Sistema de alimentação de biomassa polidispersa
Brossard L. E.; Cortez L. A.; Braunbech O. A.; Lomardi E. A
Área Interdisciplinar De Planejamento Energéticos, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Unicamp, Cidade Universitária Zeferino Vaz, 13083-970 Campinas/SP tel: (019)788-7242 Fax: (019) 289-4717
RESUMO
Na atualidade os sistemas de alimentação de biomassa polidispersa estão compostos geralmente por um silo e na saída dele uma rosca sem-fim ou um transportador. A biomassa polidispersa apresenta propriedades típicas: entrelaçamento das fibras, presença de pó coesivo e larga distribuição granulometrica. Estas propriedades fazem com que o material ensílado cria o chamado arco ou ponte, dificultando ou impedindo seu escoamento. O arco é formado perto da boca de saída do silo na qual há uma seção convergente chamada de tremonha.
Estudando as propriedades da biomassa polidispersa chegou-se à conclusão de que uma possível alternativa viável para sistemas de alimentação de biomassa é o sistema de remoção constante dentro do silo. Isto elimina o uso da tremonha e os possíveis problemas de escoamento do material.
O sistema proposto neste trabalho esta composto basicamente de um silo de paredes negativas, um removedor no fundo do silo, um raspador , uma rosca sem-fim e um redutor.
Palavras-chave: Sistema de alimentação, silos, biomassa
ABSTRACT
Presently the feeding systems of polydispersed biomass are composed by a silo, which has at its bottom an endless screw or a transportation band.
Typically polyspersed biomass is characterised by the presence of matter linking between fibbers, cohesive biomass powder and finally a bread granulometric distribution. These properties are the cause of archs or bridges occurrence formed inside the silo, specifically at its convergent section, which hinder the down movement of the stored material. This paper deals with an alternative feeding system, based on the study of the properties of polydispersed biomass, which is expected to allow a free flow of the biomass in the silo.
The proposed system is basically composed of a negative wall silo having removing and scratching devices as well as an endless screw and reductor.
In this new design, the final convergent section of the silo is suppressed.
INTRODUÇÃO
No Brasil os combustíveis sólidos mais utilizados são o carvão mineral e a lenha. O carvão mineral esta restrito a região sul, ele é utilizado principalmente na produção de energia termoeléctrica e na industria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre, não e muito utilizado industrialmente quando fica longe das minas produtoras. A lenha é um combustível amplamente utilizado no Brasil na área industrial e domestica, é utilizada na industria para geração de vapor, principalmente em pequena unidades produtoras. É caracterizado por seu baixo teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade variável, que depende do método de armazenagem.
A utilização de combustíveis provenientes da biomassa na atualidade tem seu maior uso nas usinas para geração de energia elétrica, a utilização da biomassa como fonte de energia na atualidade esta apresentando problemas na sua alimentação isto deve-se a que a biomassa tem uma morfologia muito variada o que dificulta seu uso em pequena escala, porém na atualidade a biomassa aparece como uma variante muito interessante por o fato de que é uma "alternativa limpa" e renovável de fornecimento de energia.
Os combustíveis sólidos são utilizados como fonte de energia em fornos e fornalhas que em fornos e fornalhas que são aparelhos em que o material é aquecido sob condições controladas, cujas condições podem ser velocidade de chama, temperatura máxima, temperatura de aquecimento, rapidez de esfriamento, e controle da atmosfera entre outros.
Os fornos podem ser classificados de combustíveis, elétricos, solar, etc, além de que podem ser classificados em descontínuos e contínuos. A alimentação destes aparelhos necessitam de um equipamento que permita variar diversos parâmetros em sua alimentação, como pode ser fluxo e velocidade de carga.
Os alimentadores são transportadores que tem como finalidade alimentar um sistema ou processo. Podem ser contínuos, mecânicos ou pneumáticos Para a alimentação de um forno ou fornalha é necessário um sistema de alimentação o qual esta composto basicamente de um transportador e de um silo o qual permitiria armazenar o material para ser transportado até a entrada do forno ou fornalha.
OBJETIVO
No presente trabalho pretendesse expor os principais problemas que acontecem quando utilizam-se silos com tremonha em sistemas de alimentação de biomassa polidispersa,
Propor um sistema de alimentação mediante o qual eliminaram-se os problemas atuais dos sistemas de alimentação
SILOS
Silos verticais são construções que tem como finalidade o armazenamento do material de um produto. A retirada deste produto do silo requer que este escoe para a parte inferior, onde normalmente há uma seção convergente denominada tremonha.
A tremonha de um silo é a região convergente do silo, que reduz a seção transversal para a dimensão da abertura de saída.
Podem ser de formato cônico, de base circular, ou formada por superfícies planas, como um tronco de pirâmide ou um tronco de prisma, cujas bases podem ser retangulares ou quadradas (PINHEIRO, 1968).
(JENIKE1964) determinou os limites para ocorrência de cada tipo de escoamento (de massa ou de funil), tanto para os silos de tremonha cônica como para os silos de tremonha em cunha. Estes limites dependem do ângulo de inclinação das paredes do silo, do ângulo de atrito com as paredes, e do ângulo de atrito interno do material.
O fluxo funil ocorre quando a parede do silo não é suficientemente íngreme, e sua superfície não é suficientemente lisa. Neste caso, o material da superfície escorrega parra um canal central vertical, e cai através deste ate a boca de saída.
Nas seguintes figuras (1), (3), (4) mostram-se os principais problemas que ocorrem quando utilizam-se silos com tremonha.
Propriedades do bagaço de cana-de-açúcar
O bagaço de cana é um material de difícil manuseio devido ao sinergismo do entrelaçamento das fibras, da presença de pó coesivo, e larga distribuição granulométrica de ambas as frações, resultando em grande tendência de formação de estruturas em arco que dificultam seu escoamento. Como a posição das fibras na matriz depende do processo de disposição do material no local onde analisamos, raramente encontram-se igualmente distribuídas, sendo comum o caso de termos maior porcentagem de fibras na posição horizontal ou alinhadas com o deslocamento do material. Portanto, pode-se prever um comportamento anisotrópico do material.
FORMAÇÃO DE ARCOS
O arco é um tipo de estrutura que pode ocorrer na seção convergente de silos verticais, no momento em que se abre sua saída, ou durante o escoamento do material.
(CARSON e MARINELLI 1992) e (CALI Jr. 1990) explicam que dois tipos de arcos podem-se formar na saída: arco coesivo ou arco intertravante (também chamado arco mecânico), mostrados na figura (1).
Com relação as propriedades do bagaço e palha de cana de açúcar pode-se dizer que não é recomendável usar silos com tremonha em sistemas de alimentação quando utilizam-se materiais coesivos, isto deve-se a formação de arcos próximos abertura de saída ou de um tubo no centro do silo, como pode ser visto na figura (1).
Segundo (ROBERT 1995) existe um equacionamento elementar que distingue a coesão do ângulo do atrito interno. Como exemplo menciona-se a coesão (c), esta propriedade é observada quando se comprime uma amostra de material na mão e ao abrir-se esta, o material preserva a forma. Areia é um material tipicamente não coesivo, enquanto barro argiloso úmido é bastante coesivo. Já o ângulo de atrito interno do material é uma propriedade que depende da pressão normal ao plano de cisalhamento da mostra, da tensão cisalhante exercida sobre o material para ocasionar o deslocamento, e da coesão. A expressão que relaciona estas grandezas é a equação de COULOMB ( SCHOFIELD E SUTTON,1997 E GOMIDE 1983).
JENIKE definiu o fator fluxo (ff) de um canal convergente como a relação entre a tensão principal de consolidação e a tensão de compressão que se estabelece em um arco distribuído até as paredes do silo 
.mostradas na figura (2)
Quando a tensão a que resiste uma amostra inconfinada do material, sc, for maior do que a tensão existente no arco () ocorre a formação de um arco estável que impede o escoamento do material do silo. Portanto para que o escoamento ocorra é necessário a seguinte condição.
SEGRAGAÇÃO
Uma propriedade relevante no comportamento do material ensílado é a tendência de segregação é um fenômeno que só ocorre quando o material tem partículas de diferentes dimensões e/ou o descarregamento do silo leva a separação destes ou dos mesmos Quando há segregação das partículas a distribuição granulométrica e o diâmetro meio do material que sai do silo no inicio do processo diferem consideravelmente do material que sai no final do processo, causando uma alimentação desigual, isto pode ser prejudicial sim no processo é necessário uma alimentação continua e homogênea, como é o caso do reator de leito fluidizado, levando como conseqüência que as reações finais do processo não sejam as desejadas.
SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO ACTUAIS
Os sistemas de alimentação de combustíveis sólidos estão compostos geralmente por um silo e um dosador, o qual geralmente é uma rosca-sem-fim, estos aparelhos podem variar dependendo da quantidade de combustível que vai-se alimentar, eles podem ter uma rosca, ou um pente de rosca. O silo tem como finalidade armazenar o material que vai alimentar a fornalha, onde normalmente há uma seção convergente denominada tremonha. Quando a alimentação do aparelho é feito com materiais não homogêneos como a biomassa de cana-de-açúcar a alimentação apresenta problemas, isto deve-se as propriedades do material que vai ser alimentado e pela geometria do silo. Na figura (3), (4), mostram-se os problemas mais comuns que ocorrem nos sistemas de alimentação convencionais
SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO PROPOSTO
O sistema de alimentação atual esta composto basicamente por um silo de paredes negativas, um removedor no fundo deste, um raspador e um redutor com um variador de freqüência, na parte inferior do silo temos uma pequena janela pela que saíra a biomassa que é movida pelo removedor, a qual caíra na rosca sem-fim, na figura (4) mostrasse o sistema de alimentação proposto.
O silo de paredes negativas vai evitar a formação dos chamados pontes ou arcos, o removedor vai ter como tarefa garantir que o material não fique grudado no fundo, alem de que evitaria a segregação do material, garantindo assim uma alimentação homogênea. O variador de freqüência cambiara as velocidades de alimentação do sistema garantindo assim que possam-se variar os fluxos na alimentação.
CÁLCULOS DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO PROPOSTO
Calculo da potência necessária para mover o raspador do fundo do silo.
t: torque (N.m)
N: revoluções por min (rpm).
r : densidade do material (kg/m3)
m : coeficiente de atrito
Hpr: potência do redutor (w)
Calculo do torque e Potência da Rosca sem-fim. (SHELESINGER.D, e PAPKOV. A., 1997)
Nomenclatura
D: diâmetro (m)
g: aceleração da gravidade 9,81 (m/ s2)
g: densidade do material (kg/m3)
L: comprimento da rosca sem-fim (m)
aeff: ângulo efetivo
N: revoluções (rpm)
Reff: raio efetivo (m)
Æ: ângulo de atrito do material com as pás da rosca sem-fim (° )
Æt: ângulo de atrito do material transportado com o canal da rosca sem-fim (° )
: coeficiente de enchimento (%)
m: massa do material dentro do tubo (kg)
Q: vazão 
p: passo (m)
METODOLOGIA DE CÁLCULO
CONCLUSÕES
Pode-se concluir que:
1. Os sistemas de alimentação atuais quando utilizam biomassa em sua alimentação não estão sendo eficientes, isto deve-se em grande medida à geometria do silo,
2. Quando no sistema de alimentação utilizam-se silos de paredes negativas espera-se que o material não forme arcos, garantindo assim uma alimentação constante,
3. Se colocasse um removedor dentro do silo de forma a procurar a movimentação continua diminuir-se-á a segregação do material.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
[1] PINHEIRO, V.A., Noções de Geometria Descritiva , Rio de Janeiro, 185p 1968;
[2] JENIKE, A.W., Storage and Flow of Solids-Bulletin 123, University of Utah, Engineering Experimentation Station, Salt Lake City, nov., 1964,
[2] MARINELLI, J., CARSON, J. W., Solve solids flow Problems in Bins, Hoppers, and Feeders Chem. Eng. Progress, p. 22-28, May 1992;
[3] CALIL Jr., C ., Recomendações de Fluxo e de Cargas para Projetos de Silos Verticais . São Carlos: EESC, USP, 1990,
[4] ROBERTS, A.W, 100 Years of Janssen Bulk Solids Handling, v.15, nº 3, p. 369-383, Jul/Sept., 1995;
[5] SCHOFIELD, C., SUTTON, H.M. - Systems Aproach for In-Plant Bulk Materials Handling, Chemical Engineering, p.103-110; Mar, 1997,
[6] GOMIDE, R Operações Unitárias –1 Volume: Operações com Sólidos Granulares.: Edição do Autor, 293p, 1983.,
[7] SCHLEIDSENGER, D., e PAPKOV.A., Screw Conveyor Calculation Based on Actual Material Properties., Powder Handling & Processing, v9, n4, p. 321-325, Oct-Dec 1997;
