Estudo experimental da classificação pneumática contínua de bagaço de cana-deaçúcar

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1 Sessão Técnica12 Etanol e Biomassa de Cana-de-Açúcar Trabalho No 64, 14/12/2010, 16:00-18:00 Estudo experimental da classificação pneumática contínua de bagaço de cana-deaçúcar 8º Congresso Internacional sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural AGRENER GD 2010 Expansão da Produção de Biocombustíveis na Região Centro- Oeste do Brasil 13 a 15 de Dezembro de 2010, Campinas, São Paulo, Brasil Edgardo Olivares Gómez - Apresentador Guillermo Alfonso Roca Alarcón Luis Augusto Barbosa Cortez Eduardo de Almeida Bruno Rodrigues de Oliveira George Jackson de Moraes Rocha

2 Estudo experimental da classificação pneumática contínua de bagaço de canade-açúcar Esta apresentação está baseada em resultados dos estudos preliminares de classificação pneumática realizados com bagaço de cana-de-açúcar em 3 condições físicas diferentes. A proposta de estudo foi financiada pela FAPESP como Projeto de Auxílio à Pesquisa, Processo N o 2007/ , outorgado Prof. Luís A. B. Cortez-FEAGRI/UNICAMP. O protótipo de coluna de classificação gerou a abertura de um processo para depósito de patente pela INOVA da UNICAMP, atualmente em re-avaliação.

3 Biomassa da Cana-de-açúcar! O que é biomassa da Cana-de-açúcar? Palha de cana (folhas verdes e secas na planta, no campo, e na saída da colheitadeira) Colmos de Cana-de-açúcar em pé Colmos cortados

4 O BAGAÇO DE CANA é um subproduto industrial! ESTOCAGEM DE BAGAÇO DE CANA SOB COBERTURA BAGAÇO DE CANA Partículas grossas (Fração FIBRA do interior do colmo e da casca) Partículas finas (Fração MEDULA e outros finos) CONGLOMERADO DE PARTÍCULAS HETEROGÊNEAS EM FORMA E TAMANHO, E COM ELEVADO TEOR DE UMIDADE

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6 Amostra de FIBRA LAVADA de bagaço de cana Sample of the CTBE, Campinas, SP (19/09/2008)

7 Amostra de MEDULA SEPARADA do bagaço de cana Sample of the CTBE, Campinas, SP (19/09/2008)

8 A PALHA DE CANA é um subproduto agrícola! PALHA DE CANA (PARTÍCULAS) Foto ampliada de partículas de PALHA DE CANA ( mm de classe de tamanho) Laboratório de Termodinâmica e Energia FEAGRI/UNICAMP(10/04/2008)

9 Objetivos Objetivo geral: Projeto e avaliação de uma coluna para a classificação pneumática contínua de bagaço de cana-de-açúcar em frações compostas de grupos de partículas definidas pelo diâmetro médio do conglomerado. Objetivos Específicos: 1. Projetar, construir, montar e operar uma coluna de classificação experimental em escala piloto onde seja possível alcançar regimes de fluxo adequados para a classificação pneumática contínua do bagaço de cana com ar Primeira etapa da Pesquisa; 2. Estudar o processo de classificação pneumática do bagaço de cana integral seco (umidade de equilíbrio), úmido (50% de umidade b.u.), e pré-tratado por moagem. Examinar, a partir do comportamento das funções de distribuição de tamanhos das partículas do conglomerado e dos fluxos de entrada e saída da coluna, o diâmetro médio do conglomerado e as taxas de classificação e arraste para cada fração separada na coluna (GROSSA, MÉDIA e FINA) Segunda e Terceira etapa da Pesquisa.

10 Material e Metodologia Estudo experimental: 1. Bases do estudo: 1.1) Testes de classificação pneumática de bagaço de cana em 3 condições físicas distintas: a) bagaço integral seco (umidade de equilíbrio); b) bagaço integral úmido (50% b.u.); c) bagaço moído e à umidade de equilíbrio com dp=10mm e dp=5mm respectivamente. 1.2) Bagaço de cana integral úmido (50% de umidade b.u.) gentilmente cedido pela Usina Açucareira Ester S.A., localizada na cidade de Cosmópolis SP; 1.3) Um estudo preliminar das funções de distribuição de tamanhos das partículas do bagaço integral permitiu definir as Frações a serem classificadas em termos do diâmetro médio de partícula de cada fração: Grossa 2,36 mm; Média 2,36 dp 1,00 mm; Fina 1,00 mm; 1.4) Etapas da pesquisa: 1ª etapa projeto da instalação experimental; 2ª etapa experimentos de classificação com bagaço integral seco (umidade de equilíbrio); 3ª etapa - experimentos de classificação com bagaço integral úmido e moído (à umidade de equilíbrio). 2. Instalação experimental para testes de classificação pneumática: 2.1) Instalada no LTE Laboratório de Termodinâmica e Energia da FEAGRI/UNICAMP.

11 Material e Metodologia Instalação experimental para testes de classificação Algumas características técnicas: 1. Capacidade nominal de alimentação de bagaço de 20 kg/h; 2. Sistema modular e compacto, com particular dimensionamento; 3. Alimentação de ar e bagaço uniforme, contínua e estável, com controle por inversor de freqüência. 4. Considera 1 fluxo de entrada, 2 fluxos de saída e um fluxo de arraste por transporte pneumático.

12 Material e Metodologia Instalação experimental para testes de classificação

13 Material e Metodologia Instalação experimental para testes de classificação Funções de alimentação de bagaço de cana à coluna de classificação 60 Experimental Analitico Vazão mássica de bagaço de cana (kg/h) Y= 4,0629x-1,1625 R 2 =0, Velocidade angular, RPM

14 Material e Metodologia Instalação experimental para testes de classificação Funções de alimentação de ar à coluna de classificação Vazão volumétrica de ar (m³/h) y = 0,0713x - 1,7297 R² = 0,9914 (1)fluxo medido anemometro fio quente - area quadrada 12x12cm (2)fluxo medido diretamente - area circular (D=11cm) (3)fluxo calculado atraves da vel medida diretamente - area circular (D=10,7cm) (4)fluxo calculado pela vel calculada atraves fluxo medido - area circular(d=10,7cm) Linear ((3)fluxo calculado atraves da vel medida diretamente - area circular (D=10,7cm)) Velocidade angular, RPM

15 Metodologia experimental Matriz dos experimentos e valores das variáveis Experimentos de classificação pneumática: Bagaço integral seco Tabela 1. Matriz dos experimentos de classificação pneumática (segunda etapa da pesquisa) No. Vazão de bagaço Vazão de ar Tabela 2. Níveis dos fatores (segunda etapa da pesquisa) Níveis Fator Ar (A), m 3 s -1 (m 3 h- 0,0183 (66) (16) 0,0244 (88) 0,0300 (108) 1 )(Hz) (21) (26) Bagaço (B), kg s -1 (kg h- 1 )(Hz) 0,0019 (6,77) (10) 0,0052 (18,76) (25) 0,0084 (30,42) (40) Experimentos de classificação pneumática: Bagaço integral úmido e moído Tabela 3 - Planejamento dos experimentos de classificação pneumática (terceira etapa da pesquisa) No. Vazão de bagaço, kg s -1 (kg h- 1 ) (Hz) Vazão de ar, m -3 s -1 (m 3 h- 1 ) (Hz) 1 0,0069 (25) (29,3) 0,0183 (66) (16) 2 0,0069 (25) (29,3) 0,0244 (88) (21) 3 0,0069 (25) (29,3) 0,0300 (108) (26)

16 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço de cana-de-açúcar integral (experimentos a seco e a úmido) Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço de cana-de-açúcar moído e seco (dp=10mm) Figura - Função de distribuição acumulativa do bagaço de cana-de-açúcar moído e seco (dp=5mm)

17 Resultados experimentais Etapas da pesquisa experimental I - Etapa 2 - Experimentos com bagaço integral in natura e seco (umidade de equilíbrio): Frações GROSSA, MÉDIA E FINA; II Etapa 3 - Experimentos com bagaço integral in natura, úmido (50% de umidade): Frações GROSSA, MÉDIA E FINA; III Etapa 3 - Experimentos com bagaço seco (umidade de equilíbrio) e moído, 2 malhas de controle ou tamanhos de referência (10 e 5 mm respectivamente): Frações GROSSA, MÉDIA E FINA.

18 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Etapa 2 Fração em massa das partículas 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Bagaço de cana integral seco, Fb=6,77kg/h; Fa=66m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 1 Fração em massa das partículas 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Bagaço de cana integral seco, Fb=30,42kg/h; Fa=66m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 2 Fração em massa das partículas 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Bagaço de Cana integral seco, Fb=6,77kg/h; Fa=108m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 3 Fração em massa das partículas 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Bagaço de cana integral seco, Fb=30,42kg/h; Fa=108m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 4

19 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Etapa 2 Fração em massa das partículas 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h; Fa=88m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 5 Experimento 6 Fração em massa das partículas Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h; 0,50 Fa=88m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Fração em massa das partículas 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h; Fa=88m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina Experimento 7 Fração em massa das partículas Bagaço de cana integral seco, Fb=18,76kg/h; 0,60 Fa=88m 3 /h Fração Grossa Fração Média Fração Fina 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Experimento 8

20 Resultados experimentais Fluxos de saída e tamanho médio das partículas de bagaço por fração classificada Etapa 2 Experimento Vazão bagaço (kg/h) Vazão Ar (m 3 /h) (%) Grossa (%) Média (%) Fina D. Médio Fr. Grossa (mm) D. Médio Fr. Média (mm) D. Médio Fr. Fina (mm) 1 6, ,11 5,38 16, , ,16 4,04 10,80 3 6, ,34 11,02 38, , ,34 6,56 38, , ,84 6,28 28, , ,84 6,40 25, , ,40 5,78 25, , ,76 6,50 24,73 3,29 0,64 0,43 2,84 0,60 0,40 5,90 1,47 1,00 3,35 0,95 0,62 2,94 0,76 0,52 4,02 0,81 0,54 4,25 0,78 0,52 3,83 0,77 0,54 Vazão de Bagaço = Vazão de bagaço de cana obtida a partir da curva de calibração da válvula rotativa de alimentação, em kg/h; Vazão de Ar = Vazão de ar medida próximo ao ventilador e obtida a partir da curva de calibração do mesmo, em m 3 /h; (%) Grossa = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo grossa, valor adimensional; (%) Média = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo média, valor adimensional; (%) Fina = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo fina, valor adimensional; D. Médio F. Grossa = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço grossa a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm); D. Médio F. Média = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço média a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm); D. Médio F. Fina = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço fina a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm);

21 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Etapa 3 Bagaço integral úmido, Fa=66m 3 /h, Fb=25kg/h Bagaço integral úmido, Fa=88m 3 /h, Fb=25kg/h Grossa Média Fina Grossa Média Fina Porcentagem em massa, % 50% 40% 30% 20% 10% 0% Porcentagem em massa, % 50% 40% 30% 20% 10% 0% Porcentagem em massa, % 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Bagaço integral úmido, Fa=108m 3 /h, Fb=25kg/h Grossa Média Fina

22 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Etapa 3 Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=66m 3 /h, Fb=25kg/h Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=88m 3 /h, Fb=25kg/h Porcentagem em massa, % 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Grossa Média Fina Porcentagem em massa, % 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Grossa Média Fina Porcentagem em massa, % 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Bagaço cana moído, dp=10mm; Fa=108m 3 /h, Fb=25kg/h Grossa Média Fina

23 Resultados experimentais Distribuição por tamanhos das partículas de bagaço Etapa 3 Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=66m 3 /h, Fb=25kg/h Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=88m 3 /h, Fb=25kg/h Porcentagem em massa, % 80% 60% 40% 20% 0% Grossa Média Fina Porcentagem em massa, % 80% 60% 40% 20% 0% Grossa Média Fina Porcentagem em massa, % 50% 40% 30% 20% 10% 0% Bagaço cana moído, dp=5mm; Fa=108m 3 /h, Fb=25kg/h Grossa Média Fina

24 Resultados experimentais Fluxos de saída e tamanho médio das partículas de bagaço por fração classificada Etapa 3 Experimento Vazão bagaço (kg/h) Vazão Ar (m 3 /h) (%) Grossa (%) Média (%) Fina D. Médio Fr. Grossa (mm) D. Médio Fr. Média (mm) D. Médio Fr. Fina (mm) Experimentos classificação Bagaço integral úmido ,02 0,92 2,06 3,16 1,09 0, ,15 2,73 10,12 4,10 0,90 0, ,24 39,32 32,44 3,37 1,28 0,76 Experimentos classificação Bagaço moído (dp=10mm) ,42 3,35 16,23 5,72 1,20 0, ,30 5,74 31,97 4,98 0,83 0, ,85 6,78 44,37 5,95 0,93 0,67 Experimentos classificação Bagaço moído (dp=5mm) ,00 3,41 17,59 1,16 0,76 0, ,87 6,03 29,10 1,26 0,81 0, ,86 6,22 46,93 1,24 0,83 0,61 Vazão de Bagaço = Vazão de bagaço de cana obtida a partir da curva de calibração da válvula rotativa de alimentação, em kg/h; Vazão de Ar = Vazão de ar medida próximo ao ventilador e obtida a partir da curva de calibração do mesmo, em m 3 /h; (%) Grossa = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo grossa, valor adimensional; (%) Média = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo média, valor adimensional; (%) Fina = Porcentagem da massa de bagaço, em relação à massa total de bagaço inserido no equipamento, classificado como sendo fina, valor adimensional; D. Médio F. Grossa = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço grossa a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm); D. Médio F. Média = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço média a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm); D. Médio F. Fina = Diâmetro Médio calculado para a fração de bagaço fina a partir da análise de distribuição de tamanhos das partículas da mesma, medida em milímetros (mm);

25 Resultados Analíticos BAGAÇO DE CANA TRATADO FISICAMENTE POR MÉTODOS PNEUMÁTICOS E MECANOFÍSICOS MOLHADOS EXPERIMENTOS PNEUMÁTICOS BAGAÇO DE CANA INTEGRAL SECO Teores médios de cinza: Partícula Fibra: 2,58% Partícula Medula: 4,37% DEQ Depto. De Engenharia Química/UFSCar EXPERIMENTOS MECANOFÍSICOS DESMEDULADO MOLHADO Média desv pad Celulose 41,08 41,34 40,94 41,1 0,20 Hem ice lulos e 28,67 27,53 27,81 28,0 0,59 grupos acetila 2,78 2,87 2,95 2,9 0,08 Lignina 22,30 22,68 22,11 22,4 0,29 Cinza 1,03 0,91 1,00 1,0 0,06 Extr ativos 3,63 3,87 3,77 3,8 0,12 Total 99,49 99,20 98,58 99,1 0, Média desv pad Celulose 36,04 35,91 35,75 35,9 0,14 Hemicelulose 31,52 31,69 32,04 31,8 0,27 grupos acetila 3,10 3,09 2,91 3,0 0,11 Lignina 21,51 21,86 22,15 21,8 0,32 Cinza 2,07 2,16 2,08 2,1 0,05 Extrativos 4,94 4,44 3,85 4,4 0,54 Total 99,18 99,15 98,79 99,0 0,22 FIBRA MEDULA Teores médios de cinza: Fibra: 1,0% Medula: 2,1% DPQ Depto. de Processos Químicos/UNICAMP

26 Estudos de Simulação Resultados Aproximados

27 Conclusões 1. Nos três casos (seco, úmido e seco moído) o bagaço de cana foi classificado nas 3 frações predefinidas durante o projeto básico da instalação experimental, mostrando sempre um comportamento reproduzível, sendo os diâmetros médios de partícula dos conglomerados grosso, médio e fino, coerentes em relação aos valores considerados na etapa de projeto. 2. No caso da classificação pneumática contínua com bagaço úmido especificamente foi possível definir os seguintes critérios de projeto e operacionais como os mais significativos: 2.1) modelo do sistema de alimentação de bagaço de cana à coluna de classificação; 2.2) umidade inicial e tamanho médio das partículas de bagaço de cana integral comumente produzidos nas usinas sucroalcooleira no Brasil podem ou não serem compatíveis com a taxa de alimentação de bagaço; 2.3) razão de alimentação sólido/gás, em kg/m Em todos os casos o grau de dispersão de tamanhos em cada fração separada aumenta com o diâmetro médio do conglomerado das partículas de cada fração. Desta forma, o grau de dispersão aumenta desde a fração fina até a fração grossa. 4. A vazão de ar mostrou ser um fator determinante no controle da eficiência de classificação das partículas de bagaço de cana. 5. A partir das análises físico-químicas realizadas nas frações de bagaço de cana obtidas por métodos diferentes de fracionamento de partículas, pode-se observar que valores médios finais deteordecinzade1,0%paraafraçãofibraede2,1%paraafraçãomedulaforamobtidosno caso do desmedulamento molhado, comparados com 2,58% para a fração fibra e 4,37% para a fração medula no caso das frações obtidas por classificação pneumática.

28 Agradecimentos À FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Projeto de Auxílio à Pesquisa, Processo N o 2007/ , outorgado Prof. Dr. Luís A. B. Cortez, pelo financiamento ao projeto. À TERMOQUIP Energia Alternativa Ltda., empresa atuante na área de bio-energia e meio ambiente, onde foi construída a instalação experimental de classificação pneumática. À Usina Açucareira Ester S.A. pela gentileza no fornecimento do bagaço de cana utilizado nos experimentos de classificação. À Dra. Sarita Cândida Rabelo e à Dra. Maria Tereza Borges Pimenta Barbosa, pesquisadores do CTBE Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bio-etanol, pelas análises de composição química das diferentes frações de bagaço de cana.

29 Obrigado pela atenção 14 de Dezembro de 2010