8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ANÁLISE TÉRMICA DE UM SISTEMA DE COMBUSTÃO DE ALCATRÃO EM FORNOS RETANGULARES PARA SECAGEM DA MADEIRA Gustavo de Carvalho Fávero, Ramon Molina Valle, Thiago Marques Duarte Departamento de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627, Pampulha. Belo Horizonte, Brasil faverogc@yahoo.com.br ramon@demec.ufmg.br tduarte25@yahoo.com.br RESUMO É estudada a queima do alcatrão, recuperado do próprio processo de carbinização, como fonte de energia para uma das etapas do processo de carbonização da madeira em fornos industriais. Os gases quentes provenientes da queima do alcatrão são injetados nos fornos no início do processo para o aquescimento e redução da umidade da madeira, antes de iniciar o processo de carbonização. Pretende-se com ete processo melhorar a produtividade e aumentar o rendimento gravimétrico dos fornos, além de obter uma maior homogeneidade do carvão vegetal produzido. O estudo envolve a análise das temperaturas, vazões e composição dos gases de combustão em vistas a aproveitar melhor a energia contida nos gases de combustão do alcatrão. Também são estudados os pontos mais adequados para a injeção e exaustão dos gases quentes, de forma a obter a melhor distribuição de temperatura dentro do forno, que propicie um aquescimento e secagem mais homogêneos. Com o objetivo de determinar o período de tempo mais adequado de secagem, antes de iniciar o processo de carbonizacão, testes com injeção de gases quentes provenientes da combustão do alcatrão foram realizados para vários períodos de tempo. Um aumento da eficiência do processo foi observado para tempos de secagem maiores que 30 horas, sendo este aumento mais significativo para períodos em torno de 60 horas. A injeção dos gases de combustão do alcatrão diluídos com ar atmosférico é realizada a temperaturas inferiores a 200 C. Em todos os testes de secagem por mais de 30 horas foi observado uma queda no tempo de carbonização da madeira, mostrando ganhos importantes quando comparado com o processo tradicional (sem a secagem preliminar) PALAVRAS-CHAVE Combustão do alcatrão, processo de carbonização da madeira, fornos retangulares. 639

2 INTRODUÇÃO Na V&M do Brasil, o carvão vegetal é utilizado como agente termo-redutor nos alto-fornos para a produção do ferro gusa. Parte do carvão vegetal utilizado na produção do ferro gusa é produzida pela V&M Florestal. O carvão vegetal é produzido em fornos retangulares FR-190. Estes fornos tem dimensões de 16x4x4,5m. Como matéria prima para o processo de carbonização é utilizada madeira de eucalipto. As toras de madeira são enfornadas com o comprimento de 3,60m dispostas em quatro lances orientados no sentido longitudinal do forno. O ciclo completo do processo dura cerca de 12 dias, sendo composto pelas etapas de carregamento da madeira, ignição, secagem e carbonização, resfriamento do leito de carvão e descarga do carvão. O processo não é bem uniforme no interior dos fornos devido às características geométricas dos fornos e do leito de madeira. A Fig. 1 mostra uma planta de carbonização da V&M Florestal composta por fornos FR-190. O processo de carbonização da biomassa consiste no seu aquecimento a temperaturas superiores a 200oC na presença de atmosfera inerte, modificando seus componentes e desprendendo vapor d`água, líquidos orgânicos, gases não condensáveis e restando como produto o carvão. Este processo pode ser dividido em várias fases, de acordo com a temperatura da madeira e das reações químicas que ocorrem a estas temperaturas, como pode ser visto na descrição do processo apresentada por Raad, 2004 [1] a seguir: - A temperaturas abaixo de 100oC, a madeira perde a água ligada higroscopicamente; - Com temperaturas na faixa de 105 a 200oC, ocorre o desprendimento de água de constituição. Nesta faixa pode-se afirmar que o processo de decomposição dos componentes da madeira é estável em períodos não prolongados de exposição de calor nestas temperaturas; - Com temperaturas entre 200 e 270oC, são desprendidos os produtos voláteis da decomposição da madeira tais como ácido acético, metanol, alcatrão e gases não condensáveis como o CO e CO2 e CH4; - Com temperaturas acima de 2700C, à medida que se eleva a temperatura, as reações químicas vão tornandose mais complexas, sendo que essas reações ocorrem mais intensamente com liberação de calor (reações exotérmicas). Figura 1: Fornos FR-190 de uma planta de carbonização da V&M Florestal. Após o corte, a madeira é seca no campo por um período de 90 a 120 dias, antes de ser levada aos fornos. Assim, a madeira é enfornada com uma umidade de 15 a 30% b.u. A ignição da madeira no interior dos fornos é realizada através de uma pequena abertura na parede lateral dos fornos denominada tatu. A energia retirada para a secagem e início da carbonização da madeira provém da queima de parte da própria madeira enfornada. Após o início da carbonização o processo é exotérmico e, portanto, auto-sustentável. A Fig. 2 mostra uma fotografia do início do processo de carbonização, através de uma pequena abertura lateral.

3 Figura 2: Abertura lateral para o início da ignição da madeira no processo de carbonização convencional Durante o período de carbonização o alcatrão resultante do processo é condensado na saída dos gases, diminuindo-se o impacto ambiental causado pelos gases resultantes da carbonização. Para a recuperação do alcatrão é utilizado um aparelho recuperador de alcatrão que é acoplado à chaminé dos fornos, sugando os gases resultantes do processo de carbonização. A Figura 3 apresenta um aparelho recuperador de alcatrão utilizado no processo de carbonização da V&M Florestal. Figura 3: Equipamento recuperador de alcatrão. Com o objetivo de melhorar o processo de carbonização na V&M Florestal, um sistema de combustão do alcatrão recuperado é desenvolvido para geração de gases quentes, cuja energia pode ser utilizada na etapa inicial do processo. Com este equipamento pretende-se utilizar a energia da queima do alcatrão para aumentar o rendimento e a produtividade do processo de carbonização dos fornos. Pretende-se com este estudo, verificar a influência da injeção de gases quentes provenientes da queima do alcatrão diluídos em ar atmosférico, a temperaturas inferiores a 200 o C, para fornecimento da energia necessária para a secagem da madeira antes do inicio do processo de carbonização nos fornos FR-190. Os experimentos foram realizados na planta de carbonização da Fazenda Itapoã da V&M Florestal. São avaliados os ganhos em rendimento do processo e produtividade dos fornos. OBJETIVOS O presente trabalho tem como objetivos realizar uma análise térmica do sistema de combustão de alcatrão no processo de carbonização da madeira na V&M Florestal, analisando-se as condições de operação do sistema de injeção de gases quentes provenientes da queima do alcatrão para o fornecimento da energia necessária para a secagem e início da carbonização da madeira, avaliando-se os ganhos em termos de rendimento e produtividade do processo e dos fornos.

4 APARATO EXPERIMENTAL A Fig. 4 apresenta um esquema geral e uma fotografia do sistema de combustão do alcatrão para geração de gases quentes para o processo de carbonização da madeira. Este sistema é dividido em três subsistemas: Subsistema para fornecimento de combustível; Subsistema para fornecimento de ar; Subsistema para geração de gases quentes; O subsistema para fornecimento de combustível é composto por um tanque de alcatrão, um tanque de álcool e um cilindro de GLP. O GLP é utilizado para a manutenção de uma chama piloto. O álcool é utilizado para o aquecimento do sistema antes da injeção do alcatrão. Os tanques de álcool e alcatrão são ligados a uma bomba de combustível conectada ao bico de injeção. Esta bomba possui um inversor de freqüência para o controle da vazão de combustível Figura 4: Sistema de Combustão de Alcatrão para Geração de Gases Quentes. O subsistema para fornecimento de ar é composto por dois ventiladores, um para o ar de combustão, com motor de 25cv e outro para o ar de diluição, com motor de 30cv, que é misturado aos gases provenientes da combustão para o controle da temperatura e vazão. Na entrada de ar do ventilador de diluição existia uma válvula borboleta para o controle da vazão de ar fornecida por este ventilador, a qual foi substituída por um inversor de freqüência para o controle de vazão do ar fornecido pelo ventilador de diluição. O subsistema para geração de gases quentes é composto por uma câmara de combustão e um bico de injeção. No bico de injeção, o combustível é pulverizado no centro enquanto o ar de combustão é injetado em volta do combustível pulverizado. O ar de diluição é misturado aos gases provenientes da queima dentro da câmara de combustão, controlando a temperatura e vazão de saída dos gases do sistema de combustão de alcatrão. A temperatura também pode ser controlada pela vazão de combustível. A Figura 5 mostra um esquema da câmara de combustão utilizada para a queima do alcatrão. Ar de diluição Ar de combustão Material refratário Bico de injeção Figura 6: Esquema da câmara de combustão (corte lateral)

5 METODOLOGIA Com o objetivo de se estabelecer uma metodologia básica para o processo de secagem da madeira, antes do início do processo de carbonização, foram realizadas algumas etapas preliminares para o levantamento de dados do sistema, tais como o cálculo da estequiometria da combustão do alcatrão, o levantamento das curvas de vazão dos subsistemas de fornecimento de ar e de combustível e a análise dos gases resultantes da combustão do alcatrão. Com este maior conhecimento do processo e do equipamento foi realizada uma análise térmica do processo de secagem da madeira. Análise térmica do sistema de combustão de alcatrão para a secagem da madeira Nesta etapa são avaliadas as condições de utilização do sistema de combustão de alcatrão para a secagem da madeira. É determinada a quantidade necessária de alcatrão para o fornecimento da energia necessária para a secagem da madeira e a quantidade de alcatrão produzido em uma fornada. Também é feita uma avaliação dos tempos de injeção necessários e da quantidade de madeira teoricamente queimada para o fornecimento da energia equivalente, necessária para a secagem da madeira no processo de carbonização convencional. Uma curva teórica da elevação da temperatura com o tempo durante os processos de secagem e carbonização da madeira pode ser vista na Fig. 6. Nesta curva, a partir da temperatura de 270 o C grande parte das reações de carbonização são exotérmicas. Para os cálculos, foram utilizados dados das referencias [2], [3] e [4]. Foi considerada a madeira com umidade de 30% em base seca. O calor específico da madeira é igual a 1,3kJ/kgºC (valor encontrado para a madeira na bibliografia). A umidade da madeira tem calor específico igual a 4,184kJ/kgºC (calor específico da água). Considerou-se o enfornamento de 70 ton de madeira a uma temperatura inicial de 30 o C. Assim, as massas de madeira e umidade enfornadas são de 53,85 ton e 16,15 ton respectivamente. A entalpia de vaporização da água é de 2.257kJ/kg. Aquecimento Secagem Carbonização Figura 6: Elevação da temperatura durante o processo completo de carbonização da madeira. A quantidade de energia necessária para elevação da temperatura da madeira e da umidade contida na madeira de 30 o C até 100 o C é dada por: E 1 = (c p,mad. m mad + c p,água. m água ). T1 (1) A quantidade de energia necessária para vaporização da água na madeira é dada por: E 2 = h vap.água. m água (2) Assim, a quantidade total de energia necessária para a secagem de toda a madeira enfornada é de E = ,91MJ.

6 Para uma vazão de combustível de 50kg/h, o queimador de alcatrão trabalha com uma vazão do ar de combustão de cerca de 0,16kg/s e uma vazão do ar de diluição de cerca de 2,5kg/s, mantendo uma temperatura de injeção dos gases nos fornos de 150 o C. A vazão média dos gases na entrada do forno nestas condições é de 2,7kg/s. As perdas térmicas na tubulação são desprezíveis. A temperatura média de saída destes gases dos fornos de carbonização foi de 50 o C. Assim a energia perdida no interior do forno nestas condições é dada por: E=m.c p. T (3) Considerando que toda a energia perdida pelos gases no interior do forno seja transferida à madeira e considerando um cp médio dos gases de 1kJ/kgK, o tempo de injeção dos gases no forno para o fornecimento da energia necessária para a secagem da madeira calculada anteriormente é de 47,4 horas. A massa de alcatrão consumido nestas condições seria de m alcatrão = 2.370kg. Como cada recuperador de alcatrão tem, atualmente, capacidade para recuperar 4% da massa total de madeira enfornada, considerando o enfornamento de70ton de madeira, atualmente são recuperados cerca de 2800kg de alcatrão por fornada, atendendo assim a demanda calculada. A quantidade equivalente de madeira a ser queimada para o fornecimento desta mesma quantidade de energia, considerando um PCI de 3000kcal/kg, seria de 4226kg, ou seja, esta quantidade de madeira deixaria de ser queimada durante o processo. Realização dos testes Foram realizados três testes de secagem da madeira com a injeção de gases quentes com ar de diluição, a temperaturas inferiores a 200 o C. Estes testes foram realizados no mesmo forno, FR50, sendo os resultados de rendimento e produtividade comparados com fornadas realizadas no mesmo forno sem a injeção de gases quentes. Os gases foram injetados nas extremidades de uma das paredes laterais do forno com a tiragem para a chaminé central no piso, buscando-se uma circulação dos gases conforme mostrado na Fig. 7. Entrada de gás Entrada de gás Porta Fundo Saída de gás Figura 7: Circulação dos gases utilizada para os testes de secagem. Durante os testes foi utilizada uma vazão de combustível de aproximadamente 50kg/h, uma vazão do ar de combustão de aproximadamente 0,16kg/s e uma vazão do ar de diluição de aproximadamente 2,5kg/s. A vazão média aproximada dos gases injetados no forno durante os testes foi de 2,7 kg/s. O primeiro teste foi realizado entre os dias 03 e 06/10/2006 onde foram totalizadas 66 horas contínuas de injeção dos gases com a temperatura de entrada no forno entre 150 e 160 o C. O segundo teste foi realizado entre os dias 24 e 26/11/2006, totalizando 32 horas e quarenta minutos de injeção contínua dos gases. A temperatura de entrada dos gases no forno variou entre 145 e 155 o C. E, por fim, o terceiro teste foi realizado entre os dias 12 e 13/12/2006 totalizando 34 horas de injeção contínua de gases à temperaturas entre 150 e 170 o C. RESULTADOS São apresentados neste tópico os resultados dos testes experimentais realizados nos fornos com injeção de gases resultantes da queima do alcatrão diluídos em ar atmosférico à temperaturas inferiores a 200 o C. Os resultados obtidos para os testes de secagem da madeira são apresentados na Tab. 1. Para avaliar o seu desempenho, estes resultados foram comparados com os resultados obtidos da carbonização sem o processo de secagem, como mostra a Tab. 2.

7 Teste Tabela 1: Resultados obtidos para o processo de carbonização com a secagem preliminar da madeira. Data de ignição Temperatura de injeção [ o C] Tempo de injeção Umidade inicial da madeira [%b.u.] Rendimento Gravimétrico [%] Tempo de Carbonização [Dias] 1 06/10/ h 14,8 39,8 1,2 2 26/11/ h e 45 min 34,4 26,7 1,5 3 12/12/ h 23,3 28,4 1,5 Tabela 2: Resultados obtidos para o processo de carbonização sem a secagem da madeira. Fornada Data de Umidade da madeira [% Rendimento Tempo de ignição b.u.] Gravimétrico [%] Carbonização [Dias] 1 20/7 13,4 22, /8 21,7 21, /9 36,2 24,4 3 Foram realizadas três fornadas sem a injeção de gases quentes, para as quais o rendimento gravimétrico médio foi de 22,8%, como mostra a Tab. 2. Comparando-se os resultados dos processos de carbonização das fornadas onde houve a secagem da madeira com as fornadas realizadas no mesmo forno sem o processo de secagem, percebe-se um aumento no rendimento gravimétrico para as fornadas onde houve a secagem da madeira. Nos testes 2 e 3 apresentados na Tab. 1, observa-se um pequeno aumento do rendimento gravimétrico, sendo que no teste 2, o rendimento foi de 26,7%, e no teste 3 de 28,4%. No teste 1, onde houve um tempo maior de secagem, observa-se um aumento ainda mais representativo no rendimento gravimétrico, sendo de 39,8%.. Observa-se também uma diminuição no tempo de carbonização nas fornadas onde se realizou a secagem da madeira, sendo este de cerca de 1,5 dias nestas fornadas. As fornadas onde não se realizou a secagem apresentaram um tempo médio de carbonização de 3 dias. Durante o primeiro teste pôde-se observar grande quantidade de água condensada nos tubos de instrumentação do forno, demonstrando uma perda efetiva de umidade da madeira durante o processo de injeção dos gases. Os dados da madeira carbonizada e do carvão produzido nos testes com a secagem da madeira são apresentados na Tab. 3. Tabela 3: Dados de entrada e saída dos testes de secagem. 1º Teste 2º Teste 3º Teste Massa [kg] Espécie Cloeziana Urophyla Cloeziana Madeira Umidade [% bu] 14,8 34,4 23,3 Diâmetro médio [cm] 6,7 7,9 11,3 Carvão Massa [kg] Umidade [% bu] 5,8 10,5 10,4 Global Rendimento gravimétrico [%] 39,8 26,7 28,4 Carbono fixo [%] 73,9 Tiço Massa [kg] Como pode ser visto na Tab. 3, existem diferenças nas características da madeira enfornada em cada teste de secagem realizados. Estas características tais como a massa de madeira enfornada, a espécie do eucalipto, a umidade e o diâmetro médio, podem influenciar no processo e nos produtos da carbonização. Outros testes para a secagem da madeira foram realizados observando-se a ignição da madeira no interior do forno durante baixos tempos de injeção dos gases à temperaturas inferiores a 170 o C. A ignição prematura da madeira nestes casos foi atribuída a vestígios de carvão no piso do forno.

8 CONCLUSÕES A análise detalhada do sistema permitiu o conhecimento dos principais parâmetros envolvidos na combustão do alcatrão e no processo de carbonização da madeira. Assim, para qualquer condição de operação do sistema de combustão de alcatrão, pode-se estimar a quantidade de combustível injetada, o excesso de ar envolvido na combustão, a quantidade e qualidade dos gases resultantes da combustão, a quantidade de ar injetada pelo ventilador de diluição e, consequentemente, a quantidade e qualidade dos gases gerados pelo sistema de combustão de alcatrão. Através da análise térmica do sistema de combustão de alcatrão mostra-se a viabilidade da utilização do sistema para a secagem da madeira. Neste caso, a quantidade de alcatrão produzido em uma fornada supera a quantidade de alcatrão necessária para o fornecimento da energia para a secagem da madeira. Para os três testes de secagem, observou-se um aumento do rendimento gravimétrico, comparando-se com as fornadas onde não foi realizada a secagem da madeira. Para as fornadas com cerca trinta horas de secagem observou-se um aumento no rendimento de cerca de 22,5% para cerca de 27,5%. Para a fornada com sessenta horas de secagem, este rendimento subiu para 40%. Nos três testes realizados observou-se uma redução do tempo de carbonização, de uma média de três dias para cerca de dois dias de carbonização. Um aumento no rendimento gravimétrico compatível com o observado para 60 horas de secagem geraria um aumento substancial na produtividade dos fornos, mesmo com o aumento do ciclo destes fornos. Este resultado deve, portanto, ser mais bem avaliado pelo fato de apenas um teste ter sido realizado para este tempo de secagem. REFERÊNCIAS 1. RAAD, T.J. Simulação do processo de secagem e carbonização do Eucalyptus SSP. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, FOX, R.W. Introdução à mecânica dos fluidos. Ed. LTC, Quinta Edição, SONNTAG, R.E., BORGNAKKE, C. e VAN WYLEN, G.J. Fundamentos da termodinâmica. Editora Edgard Blucher LTDA, Quinta Edição, INCROPERA, F.P e DE WITT, D.P. Fundamentos da transferência de calor e massa. Ed. LTC, Quinta Edição, CAMPOS, M.B. Modelagem matemática com validação experimental do resfriamento de leito de carvão vegetal em forno retangular industrial. Curso de pós-graduação em engenharia mecânica, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, NOGUEIRA, C.P. Análise energética e econômica do processo de produção de carvão da Mannesmann Florestal, Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, SÈYE,O. Influencia da temperatura de carbonização nas propriedades do carvão vegetal de Eucalyptus. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, VIEIRA, A.M. Análise exergética da produção de carvão vegetal. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Nuclear, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, UNIDADES E NOMENCLATURA E energia (kj) c p calor específico (kj/kg K) m massa (kg) T temperatura (K) entalpia de vaporização da água (kj/kg) h vap.água