APROVEITAMENTO DA CINZA DO BAGAÇO DE CANA PARA PRODUÇÃO DE BRIQUETES

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1 APROVEITAMENTO DA CINZA DO BAGAÇO DE CANA PARA PRODUÇÃO DE BRIQUETES A proposta inicial deste trabalho é a fabricação de Briquetes de Carvão. A material-prima será a cinza que resulta da queima do bagaço da cana-de-açúcar utilizada nas usinas de álcool; a fumaça resultante da queima não pode ser expelida através das chaminés por questões de preservação ambiental, assim as usinas são obrigadas a utilizar um lavador de gases que retira esta fuligem, rica em carvão e após, colocam-na em sítios específicos. A ideia central é transformar esta cinza do bagaço de cana em briquetes, que podem ser utilizados na própria usina de álcool ou em outro tipo de indústria onde as necessidades energéticas sejam prementes. O carvão vegetal pulverizado apresenta varias opções de aproveitamento energético. Ele pode ser queimado diretamente, misturado com óleo MOC (Mistura óleo-carvão) ou na forma de pellets ou briquetes. Neste projeto será estudada a forma de separar o pó de carvão de um material inorgânico e seu aproveitamento na produção de pellets e/ou briquetes. Estudo sobre pellets de carvão de capim elefante, indica que a densidade de pellets do carvão é muito maior que a do carvão e pode alcançar um poder calórico de 3 a 5 vezes por volume, em relação ao carvão normal de eucalipto. Desta forma os pellets podem ser usados industrialmente e em usos domésticos. Segundo os autores, Brasil tem condições de consumir 3 milhões de toneladas anuais deste tipo de carvão, fora o que poderia ser exportado. Em outro trabalho, sobre briquetagem de carvão são mostradas várias vantagens dos briquetes em relação ao carvão comum. Mostra também que apesar do processo de briquetagem ser bastante conhecido no exterior, no Brasil até 1988 este trabalho com carvão vegetal resume-se em experiências e atividades pioneiras e isoladas de um grupo de siderúrgicas e pequenos produtores. A técnica de briquetagem de carvão vegetal envolve balanceamento granulométrico, mistura proporcional de aglomerante, compactação e secagem. Com a cinza de bagaço de cana (fly-ash) será preciso separar os materiais (carvão/inorgânicos). O maior problema de nossa cinza de bagaço de cana é o conteúdo de impurezas, principalmente areia; para retirá-la estamos utilizando um hidrociclone que funciona como um filtro de água, em nosso caso, água com cinza de bagaço de cana. Após circular pelo aparelho esperamos que filtrasse a cinza a níveis que tornem o processo viável economicamente. Para verificar o sucesso do processo de limpeza, amostras de carvão são retiradas do recipiente quando já passou pelo hidrociclone. A amostra é seca, pesada e colocada num calorímetro para fazer uma Análise Termo Diferencial (DTA) e Termogravimetria (TG), que nos permite, além de conhecer a entalpia da reação da cinza de grelha saber também a quantidade de cinza que resta após a queima controlada até 800C. MATERIAIS E MÉTODOS

2 A cinza do bagaço de cana, material que estamos utilizando como materialprima, é um subproduto da queima do bagaço de cana. Contém impurezas naturais incorporadas durante o crescimento da planta e que ainda subsistem após as queimas, assim como impurezas externas, incorporadas durante o processo de transporte e moagem. Para conseguir fazer deste subproduto, um material comercialmente utilizável, deve-se conseguir retirar o máximo de impurezas da material-prima inicial, para após transformá-lo num novo produto, o briquete, de fácil manipulação e de interesse também para a própria usina de álcool. Assim sendo, deverão ser aperfeiçoados métodos de quantificação das impurezas das cinzas retiradas da usina de álcool e também, as cinzas residuais dos próprios briquetes, o produto final. Uma mufla a 800 C permite após alguns minutos queimar todo o material orgânico presente numa amostra previamente pesada. Assim por diferenças na pesada, podemos caracterizar a porcentagem de impurezas inorgânicas presentes no material recolhido da usina de álcool. Este método foi também utilizado para estudar o conteúdo de cinzas resultantes quando queimamos os briquetes fabricados com este material. No laboratório esta a disposição um sistema de Termogravimetria (TG) que além de mostrar as perdas de massa em função da temperatura, faz uma Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) que nos permite, além de mostrar as entalpias envolvidas, conhecer a existência ou não de restos de lignina ainda presentes nas cinzas. A presença desta lignina interfere na qualidade dos briquetes e sua queima se da em torno a 320 ºC. Para separar o pó de carvão das impurezas foi montado um sistema de hidrociclone funciona utilizando um fluxo de água injetado por uma bomba hidráulica. Se a água tiver impurezas pesadas, estas sob a ação da força centrifuga provocada pela bomba centrifuga e a geometria do aparelho são levadas a pontos distintos do aparelho, conseguindo-se desta forma filtrar as impurezas da água, deixando-a apenas com partículas muito pequenas. Neste trabalho utilizamos um Hidrociclone CD-25 da Darka de 250 mm de diâmetro e saída de 1½ com vazão mínima de 14 m 3 /h, conectado a dois recipientes cilíndricos de 150 litros numa disposição próxima à utilizada industrialmente através de uma bomba centrifuga de ¾ HP, como esta mostrado na Figura 1.

3 Figura 1. Imagens da montagem do filtro hidrociclone. O recipiente 1 tinha a água + carvão da usina que vai passar pelo hidrociclone e o recipiente 2, recebia a água com carvão após passar pelo filtro. Uma válvula de retorno pode ser ativada para colher no recipiente 2 apenas a mistura em tempos prédeterminados, permitindo um estudo da eficiência do filtro. Foi instalado também um Medidor de Pressão de água e um sistema de válvulas que permitem controlar o fluxo de água que entra no filtro assim como proteger a bomba centrifuga. Para estudar os tempos necessários para a melhor utilização do Hidrociclone, a válvula de acesso ao recipiente 2 foi fechada em 3 intervalos de tempo, 5, 10 e 20 minutos. Nesses tempos, uma amostra da água com carvão foi colhida no recipiente 2 e a válvula fechada novamente até o seguinte intervalo de tempo. Utilizando uma mufla a 800 C podíamos verificar a eficiência na limpeza medindo a porcentagem de cinza. Figura 2. Estudo do tempo de utilização do hidrociclone na limpeza da água com

4 carvão do bagaço de cana de açúcar vinda da usina de álcool. Como podemos ver existe uma diferença significativa do tempo de 5 min para o de 10 min, mas uma diferença menor para o tempo de 10 min até o de 20 min, portanto passando os primeiros 5 min. Não há tanta diferença após. Para um a melhor utilização deste filtro, houve necessidade de estudar os parâmetros do sistema e até, utilizar cinza que foi peneirada até 0,125 mm. Os briquetes foram feitos utilizando amido de mandioca como aglutinante colocado numa proporção de 8% em peso e a mistura aglutinante com pó de carvão colocada num molde cilíndrico para aplicar uma pressão de 5 ton. A capacidade de empilhamento dependerá da carga máxima que os briquetes consigam suportar; para determina-la utilizamos um gráfico força deformação num sistema de compressão axial que se deslocava a 5 mm/min. Figura 3. Análise TG e DSC da cinza do bagaço de cana como saído da usina de álcool e açúcar Como se pode apreciar da figura 3, após 600 C, sobra aproximadamente 62% de material inorgânico. Este material consiste principalmente de quartzo, ferro e areia. Para retirar estes resíduos, utilizamos o método de peneiramento, e os resultados estão na figura 4.

5 Figura 4. Análise TG e DSC da cinza do bagaço de cana com areia depois de peneirado a 0,125mm. A curva TG da figura 4 indica que a maior parte da areia fina foi retirada, além disso, a curva DSC mostra um pequeno pico em 326ºC que pode ser atribuído à presença de lignina que não foi queimada totalmente na caldeira da usina. Depois de peneirado o material foi passado filtro Hidrociclone e o carvão resultante, utilizado para a fabricação dos briquetes. Os briquetes foram preparados utilizando amido de mandioca como elemento aglutinante numa proporção de 8% em peso. Primeiro o carvão era seco e pesado para determinar a quantidade de amido que deveríamos preparar. Este era preparado num fogão com uma pequena quantidade de água. Quando o amido formava a cola transparente, o carvão era incorporado, juntando-os com uma espátula. Era necessário um tempo maior que cinco minutos para permitir a evaporação do excedente de água e para isso, a mistura era constantemente agitada dentro do recipiente aquecido. Uma vez seco a mistura carvão + amido era colocada num molde cilíndrico e fechada com o pistão. O conjunto era levado a uma prensa hidráulica onde se aplicava uma pressão de 5 Ton. Após, o briquete era retirado do molde e colocado a secar ao Sol. A figura 5 mostra os briiquetes resultantes

6 Figura 5. Briquete de Carvão feito da cinza do bagaço da cana de açúcar. O briquete que deixamos 5 min. no hidrociclone foi preparado com uma massa inicial de 23,632g de carvão e o aglutinante 1,8904g, após ser prensado a 5 ton. e seco por um dia, a massa do briquete foi de 25,514g e o seu volume de 28,27cm³, portanto a densidade é de 0,902g/cm³, para verificar o material inorgânico restante do briquete foi analisado por TG, como mostra a figura 6. Figura 6. Análise TG do briquete preparado com carvão filtrado no hidrociclone por 5 minutos. Como observado na figura 6. restando aproximadamente 20% de material inorgânico. A cinza do bagaço da cana de açúcar que permaneceu 10 min no hidrociclone também foi preparada um briquete, com massa inicial de 24,155g e o aglutinante a massa é de 2,957g, depois de prensado a 5 ton e seco, sua massa é de 23,9606g e seu volume é de 31,44cm³ portanto sua densidade é de 0,762g/cm,

7 para verificar o material inorgânico restante foi analisado termicamente pelo TG e DSC, mostrado na figura 7. Figura 7. Análise TG do Briquete que a cinza do bagaço de açúcar permaneceu 10 min no hidrociclone. Da figura 7. podemos dizer que após a queima, restam aproximadamente 22,09% de material inorgânico. Também foi feito um briquete com o material que permaneceu por 20 min no filtro hidrociclone, com massa inicial de 22,40g e o aglutinante é de 1,792g, após prensado sua massa é de 24,905g e o volume de Figura 7. Análise TG do Briquete que a cinza do bagaço de açúcar permaneceu 10 min no hidrociclone. 28,42cm³ portanto a densidade é de 0,87g/cm³, analisando termicamente como mostra a figura 8. Concluímos a quantidade de material inorgânico restou foi de aproximadamente 17%.

8 Figura 8. Análise TG do Briquete que a cinza do bagaço de açúcar permaneceu 20 min no hidrociclone. Para definir o nível de empilhamento. Utilizamos uma maquina de ensaios para determinar a carga máxima que nossos briquetes suportam. O resultado esta mostrado na figura 9. Fig. 9. Curva deformação força num briquete de cinza de bagaço de cana. Como pode ser verificada, a carga máxima que o briquete suporta é maior que 3600 N, mais de que suficiente para maioria das aplicações práticas.

9 Para analisar a qualidade dos briquetes, utilizamos nesta primeira parte, dois parâmetros: densidade e quantidade de cinzas inorgânicas, resultantes da queima deste as temperaturas próximas a 800 C. Quando o carvão não era limpo com o Hidrociclone, chegamos a ter briquetes com densidade de 1,1 3 3 g/cm. Após a instalação do Filtro Hidrociclone a densidade dos mesmos passou para a faixa de 0,76 a 0,9 g/cm. e constatou-se uma significativa diminuição do material inorgânico sendo de até 23,5%, e quando feita a briquetagem a diminuição atingi aproximadamente 17% de material inorgânico, feito isto em um tempo de 20 minutos. Acreditamos que os métodos utilizados garantes briquetes com menores cinza inorgânicas; que é um parâmetro importante nas futuras aplicações. Autores Regiane Godoy de Lima.*, Angel Fidel Vilche Peña*, Silvio Rainho Teixeira* regigodoy@gmail.com Prof. Assistente Doutor, angel@fct.unesp.br Prof. Assistente Doutor, rainho@fct.unesp.br * UNESP Faculdade de Ciências e Tecnologia Presidente Prudente