PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE FORNO CERÂMICO TIPO CATENÁRIA DESENVOLVIDO PELA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REY Rio de Janeiro - Brasil Julho - 2011 Ministério da Ciência e Tecnologia EELA es un programa de COSUDE, ejecutado por Swisscontact y PRODUCE
1. INTRODUÇÃO Nos últimos dois anos, a UFSJ Universidade Federal de São João Del Rey em Minas Gerais vem desenvolvendo a tecnologia de fornos cerâmicos de pequeno porte (câmara interna de 0,6 m3) do tipo catenária (abóbada curva suspensa em duas arestas extremas sustentada sob a influência do peso de cada segmento retilíneo formado por sucessivas peças blocos cerâmicos) com a destinação precípua de processar em pequena escala a queima de produtos de cerâmica artística e porcelana, envolvendo temperaturas máximas da ordem de 1250 oc, tanto com a queima de lenha, como com gás liquefeito de petróleo. Dentre as vantagens pretendidas com o desenvolvimento da estrutura catenária na abóbada do forno estão a simplicidade construtiva, a rapidez de instalação, o preço relativamente baixo do equipamento (inferior a R$ 5.000,00, considerando que o próprio ceramista pode produzir os tijolos isolantes do forno), assim como a modularidade, já que a UFSJ pretende construir fornos em escala produtiva maior (1 a 2 milheiros de tijolos por fornada), mas seguindo a mesma geometria e princípios construtivos (ver comentários na Conclusão). Em paralelo, a tecnologia desenvolvida no forno visa a promover uma queima mais homogênea e controlada, permitindo a obtenção de altos percentuais de produtos de boa qualidade, e, principalmente, atingir elevados valores de eficiência térmica e conseqüente redução do impacto ambiental e econômico promovido pelo menor uso de combustíveis, o que é de interesse do setor produtivo e da sociedade. O ensaio realizado por técnicos do INT em conjunto com a UFSJ procurou-se investigar sua aplicabilidade em operações de queima de produtos cerâmicos mais rústicos, como tijolos e telhas, cujas temperaturas de processamento, dependendo do tipo da argila, são mais baixas, da ordem de 850 a 950 oc. Os resultados do teste de eficiência térmica do equipamento permitiram mostrar que tal objetivo pode ser alcançado com bons níveis de eficiência térmica e qualidade final do produto, demandando todavia alguns ajustes na forma de operação do forno e no projeto da câmara e da fornalha do mesmo. 2. METODOLOGIA A metodologia aplicada visou à avaliação do consumo energético específico do forno catenária numa operação de queima de tijolos maciços empregando a unidade kcal/kg, ou seja, mensurando num ciclo completo de queima o consumo total de combustível (madeira de piso tacos), a energia térmica envolvida (kcal) e a carga total processada no forno ao longo do ciclo monitorado (kg), valores que também permitiram avaliar a eficiência térmica do forno a partir do cálculo do calor útil demandado pela argila processada em função de suas características físico-químicas e das condições atmosféricas ambientais. Para tanto, foi realizada a pesagem e o teor de umidade (aparelho marca Testo 606-2) de uma amostra da carga alimentada no forno (5 peças de tijolo maciço compactado) e, ao fim do teste, um mesmo procedimento quanto aos tijolos queimados. Foi também realizada a pesagem e a medição da umidade (mesmo aparelho Testo) de dez peças de taco de madeira, o combustível alimentado, avaliando-se sua umidade. Quanto ao poder calorífico (superior e inferior) foram realizados ensaios de umidade em laboratório (Lacol) do INT - Instituto Nacional de Tecnologia no Rio de Janeiro, assim como novo ensaio, mais preciso que o realizado em campo, quanto à umidade presente no combustível (tacos de madeira). 2 de 17
Quanto ao monitoramento das temperaturas de operação do forno, foram instalados termopares do tipo K na exaustão do forno (base da chaminé), nos lados direito e esquerdo da câmara do forno, sendo o primeiro deles junto a um tijolo na câmara e, por fim, quanto à temperatura ambiente, todos eles ligados a um registrador Fluke Data Logger, que monitorou a evolução das curvas de temperatura nos pontos referidos ao longo do período do ensaio, que também foi cronometrado manualmente. 3. ENSAIOS E RESULTADOS: 3.1. Pesagem de tacos de madeira utilizados como combustível Foram pesadas dez amostras de tacos de madeira (piso) com os seguintes valores em gramas: 186,3; 207,8; 197,1; 226,3; 205,0; 175,4; 195,1; 160,0; 172,7; 155,6. Média: 188,1 g 3.2. Tempo do ensaio De 6:00 h da manhã às 11: 40 h do dia 21/06/2011, totalizando 5h 40 min, tendo sido realizada a última alimentação de lenha dez minutos antes do abafamento do forno, efetivado às 11h 40 min. 3.3. Massa total de tacos alimentados no forno ao longo do ensaio Ao longo do ensaio (5h 40 min), foram alimentadas 425 peças de taco de madeira, permitindo estimar uma massa total de combustível introduzido no forno de : (425 x 188,1 g) / 1000 g/kg = 79,94 kg. Obs: Verificou-se que, se a alimentação de combustível tivesse sido feita de forma mais equilibrada entre os dois lados da grelha da fornalha, a temperatura interna da câmara do forno teria evoluído de forma mais rápida, o que poderia ter reduzido a alimentação total estimada de cerca de 50 peças de taco e cerca de meia hora de operação a menos, o que levaria a um aquecimento mais rápido da carga do forno. 3.4. Medição da umidade dos tacos de madeira alimentados no forno (medição em campo e medição no Laboratório de Combustíveis do INT) Média das medições em campo : 11% Medição em laboratório: 10% Obs: Para efeito de cálculo, considerou-se o valor medido em campo (11%) pela pequena diferença em relação ao resultado obtido em laboratório e pelo fato da madeira ter perdido 3 de 17
parcela de sua umidade após cinco dias, quando a umidade da amostra foi medida em laboratório. 3.5. Massa total de madeira seca alimentada no forno 79,94 kg x 0,89 = 71,15 kg 3.6. Poder calorífico inferior do combustível utilizado (tacos de madeira) Valores obtidos em ensaio de poder calorífico em laboratório (Lacol INT): PCS: 4.688 kcal/kg; PCI: 4.370 kcal/kg Valor usual adotado na literatura para o PCI de lenha: 4.350 kcal/kg. Obs: Em função da diferença irrisória entre os dois valores (0,45%), adotou-se o valor usado na literatura técnica. 3.7. Energia total alimentada no forno (Qtotal) 71,15 kg x 4.350 kcal/kg = 309.503 kcal. 3.8. Pesagem da carga introduzida no forno tijolo maciço úmido Foram pesadas cinco amostras de tijolo moldado com os seguintes valores em kg: 2,154; 2,126; 2,176; 2,185; 2,202. Média: 2,169 kg. 3.9. Pesagem da carga extraída do forno tijolo maciço queimado Foram pesadas cinco amostras de tijolo queimado (produto final) com os seguintes valores em quilos: 1,800; 1,816; 1,806; 1,855; 1,831. Média: 1,822 kg. 3.10. Umidade da carga alimentada no forno (%) Foram realizadas algumas medições de campo relativas à umidade do tijolo úmido introduzido no forno através do aparelho Texto 606-2 com o valor médio de 2%. 3.11. Pesagem da carga total a ser processada no forno 4 de 17
Foram introduzidos no forno 205 tijolos de argila crua, empilhadas de modo espaçado de forma a permitir a plena passagem dos gases quentes produzidos na combustão de modo a otimizar a troca de calor com a carga e sua homogeneidade de temperatura ao longo do processo de queima. Assim, a carga total introduzida no forno foi de: 205 peças x 2,169 kg/peça = 444,65 kg, sendo 8,89 kg de água (2%) e 435,76 kg de argila seca. 3.12. Pesagem da carga total processada no forno (tijolos queimados) 205 peças x 1,822 kg/peça = 373,51 kg. 3.13. Perda de massa (água, matéria orgânica e outros) na queima da carga (444,65 373,51) kg = 71,14 kg 3.14. Perda percentual de massa da carga na queima (71,14 / 444,65) x 100 = 16%. 3.15. Dimensões externas iniciais (comprimento, largura e altura) das peças de tijolo úmido Foram medidas as três dimensões referidas em cinco peças com os seguintes resultados médios C: 22,0 cm; L: 11,0 cm; A: 5,0 cm. 3.16. Volume unitário e total carga úmida do forno Volume médio por peça: 1,21 dm3. Volume total: 1,21 dm3/peça x 205 peças = 248,1 dm3. 3.17. Dimensões externas finais das peças de tijolo queimado As três dimensões referidas em cinco peças de tijolo queimado foram as seguintes C: 21,5 cm; L: 10,5 cm; A: 5,0 cm. 3.18. Volume unitário e total carga úmida do forno Volume médio por peça: 1,13 dm3. Volume total: 1,13 dm3/peça x 205 peças = 231,7 dm3. 5 de 17
3.19. Retração dimensional ((248,1 231,7) dm3 / 248,1 dm3) x 100 = 6,6% 3.20. Relação volume da carga versus volume da câmara do forno Volume da câmara: 0,60 m3 Volume da carga úmida: ~0,25 m3 Percentual de ocupação: (0,25/0,60) x 100 = ~42% Obs: Verificou-se que o volume da câmara do forno poderia comportar um carregamento entre 60 e 70%, considerando o tipo de tijolo processado e o espaçamento realizado, o que teria grande influência nos dados de desempenho final do forno, considerando-se que a carga térmica absorvida pela estrutura do forno seria a mesma. 3.21. Variação da temperatura ambiente (ºC) Hora Temp. ambiente (oc) Umidade relativa (%) 6:00 h 10 55 9:00 h 13 50 10:00 h 15 45 11:00 h 18 43 12:00 h 21 38 Temperatura média no transcorrer do ensaio: 13 oc. Obs: A temperatura atmosférica durante o ensaio do forno foi razoavelmente abaixo da média esperada para uma operação usual do forno, gerando condições mais adversas para a obtenção de bons resultados de desempenho térmico do equipamento. 3.22. Calor útil demandado pela argila Para uma argila processada no forno a 13 oc (Ta) e com 2% de umidade (M a = 8,89 kg), queimada a 950oC (Tm), com calor específico de 0,26 kcal/kg oc (Carg) - valor obtido na literatura), calor de reação da argila (L r) de 25 kcal/kg, também obtido na literatura técnica, considerando calor latente de vaporização da água, à pressão atmosférica, de 539 kcal/kg (L v), massa de argila (Marg) de 435,76 kg e os calores específicos do vapor d água à pressão atmosférica de 0,48 kcal/kgoc (Cv) e da água de 1,00 kcal/kg oc (Ca), calcula-se o calor teórico necessário para a queima da argila com o valor de: Qútil = qágua + qargila + qreação qágua: Ma [ Ca (100 Ta) + Lv + Cv (Tm 100)] = 9.192 kcal. qarg: Marg Carg (Tm Ta) = 106.160 kcal qr: Marg Lr = - 10.894 kcal. 6 de 17
sendo Ma a massa de água, Ca o calor específico da água, T a a temperatura ambiente, L v o calor latente de vaporização da água, C v o calor específico do vapor d água e T m a temperatura máxima de queima. Assim, o calor total útil necessário à queima da argila alimentada no forno é de: Qútil = 104.458 kcal 3.23. Eficiência térmica do forno durante o ensaio Ef. térmica = Qútil/ Qtotal = (104.458 kcal / 309.503 kcal) x 100 = 33,8%. 3.24. Eficiência térmica do forno em condições otimizadas de operação Em função do baixo carregamento do forno, 42% em volume, quando poderia ter sido de 60 a 70% (na simulação adiante, consideraremos 65% ou 317 tijolos maciços - 687,57 kg de tijolos úmidos, sendo 673,82 kg de argila seca e 13,75 kg de água presente na argila), da baixa temperatura ambiente (média de 13 oc) e da alimentação irregular durante a primeira etapa de operação do forno (diferenças de temperatura de até 20% entre as partes frontal e anterior da câmara, condição que teria exigido cerca de 30 minutos a mais de operação e cerca de 12% a mais na alimentação de combustível, calculou-se a seguinte condição ideal (temperatura ambiente de 25oC) para a queima de tijolos maciços no forno catenária: Tempo de operação: 5h 10 min Combustível alimentado: 374 peças de taco de madeira Energia térmica introduzida no forno: 272.363 kcal Calor absorvido pela água (qágua): 14.053 kcal Calor absorvido pela argila (qarg): 162.054 kcal Calor de reação (qr): - 16.846 kcal Calor útil (Qútil): qágua + qarg + qr = 159.261 kcal Eficiência térmica: Qútil/Qtotal = (159.261 kcal / 272.363 kcal) x 100 = 58,5%. 3.25. Calor útil específico demandado pela argila nas condições de ensaio Qútil: 104.458 kcal / 444,65 kg = 234,9 kcal/kg. 3.26. Calor útil específico demandado pela argila nas condições otimizadas Qútil: 159.261 kcal / 687,57 kg = 231,6 kcal/kg. 3.27. Consumo energético específico do forno nas condições de ensaio Cenerg esp = (234,9 kcal/kg)/0,338 = 695 kcal/kg. 7 de 17
3.28. Consumo energético específico do forno nas condições otimizadas Cenerg esp = (231,6 kcal/kg)/0,585 = 396 kcal/kg. 4. CONCLUSÃO As condições de temperatura do ar ambiente (muito frio) e de baixo carregamento do forno (35% abaixo da capacidade nominal) fizeram com que os dados de desempenho térmico do forno tenham sido apenas razoáveis. Considera-se que o carregamento ideal desse forno seja da ordem de 60 a 70% do volume da câmara. Outros aspectos que conspiraram para um resultado limitado na queima do forno foram a forma de carregamento e espaçamento interno da carga, de modo a otimizar a circulação de gases quentes e a troca interna de calor, visando a uma maior homogeneidade na distribuição de calor dentro do forno, assim como a possibilidade de alimentação mais regular da fornalha, de modo a impedir exageradas diferenças de temperatura na câmara e atingir menor tempo de operação na fornada, que no teste foi de 5 h e 40 minutos, mas que poderia ter sido menor em cerca de 30 minutos no mínimo, o que redundaria em menor demanda de combustível. Considerando a possibilidade de queima de uma carga de tijolos em volume 50% maior (308 peças), aproveitando melhor o volume interno da câmara, sob uma temperatura ambiente por volta de 30oC e empregando-se argilas com melhores propriedades (menor granulometria e mais fundentes, admitindo temperaturas de queima abaixo de 900 o C), considera-se possível que o referido forno opere melhores índices de desempenho energético, o que poderia ser constatado numa próxima e otimizada experiência de queima no forno. De qualquer forma, a partir dos dados obtidos no ensaio, verificou-se que o forno catenária desenvolvido pela UFSJ apresenta boas possibilidades de difusão no setor de cerâmica vermelha quanto ao segmento das micro-empresas por sua boa homogeneidade de queima da carga, bom nível de eficiência térmica, baixo custo, simplicidade construtiva e, principalmente, pela possibilidade de aumento de escala produtiva com sua ampliação dimensional para processamento de um a dois milheiros por fornada. Para tanto, é importante que esse aumento de escala produtiva seja bem estudado por sua equipe de projeto, uma vez que o simples crescimento linear do comprimento do forno, mantidas as outras dimensões, poderá criar dificuldades na operação da fornalha no que diz respeito à sua alimentação contínua durante o processo de queima, podendo comprometer a homogeneização da temperatura da carga do forno. Acreditamos que o aumento de capacidade do forno seja mais facilmente obtido com o aumento da altura da câmara, permanecendo a fornalha com o comprimento atual ou pouco maior, o que tornaria a operação facilitada em relação ao aumento linear do comprimento o forno e, conseqüentemente, da fornalha. 8 de 17
ANEXOS 1 - Curva de aquecimento do forno A curva traçada apresenta o aquecimento do forno desde o início da operação Forno Catenária 1.200 Abafamento às 11h35min Temperatura ( C) 1.000 800 600 400 200 0 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0:30 0:00 Tempo Transcorrido (hh:mm) Frente Chaminé Atrás 2 - Temperaturas registradas durante a queima dos tijolos Tempo Transcorrido (hh:mm) 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 1:10 1:15 1:20 1:25 Frente 13,7 14,0 13,8 13,9 15,7 16,1 15,8 15,6 15,7 21,9 27,2 36,5 53,2 60,7 62,1 68,1 81,8 90,8 Temperaturas Registradas (ºC) Chaminé Atrás 14,3 12,9 14,4 12,9 14,3 13,1 14,4 24,5 14,7 42,2 15,1 45,8 15,4 73,8 15,2 71,5 15,4 69,5 21,4 66,8 27,2 97,1 32,1 89,4 45,2 116,7 74,5 137,9 82,4 133,9 73,6 144,9 73,7 173,1 84,0 132,0 Ambiente 10,1 10,2 10,1 9,7 9,7 9,7 10,0 9,8 9,9 9,9 10,3 10,0 10,3 10,4 10,7 10,5 10,6 11,0 9 de 17
Tempo Transcorrido (hh:mm) 1:30 1:35 1:40 1:45 1:50 1:55 2:00 2:05 2:10 2:15 2:20 2:25 2:30 2:35 2:40 2:45 2:50 2:55 3:00 3:05 3:10 3:15 3:20 3:25 3:30 3:35 3:40 3:45 3:50 3:55 4:00 4:05 4:10 4:15 4:20 4:25 4:30 4:35 4:40 4:45 4:50 4:55 5:00 5:05 5:10 5:15 5:20 5:25 5:30 5:35 5:40 5:45 Frente 194,8 169,6 212,8 205,6 172,2 197,3 232,8 270,2 247,9 303,1 281,6 287,6 295,8 369,8 356,1 383,2 393,9 414,6 420,7 437,2 462,3 500,7 505,2 575,2 571,4 599,0 555,6 609,0 624,3 624,3 617,2 626,2 713,0 742,4 740,7 750,5 795,9 830,8 828,3 851,8 841,5 859,8 857,5 838,9 857,7 891,0 909,0 929,9 962,6 959,5 978,8 984,0 Temperaturas Registradas (ºC) Chaminé Atrás 75,9 135,5 70,1 118,9 79,8 139,2 76,5 140,4 71,3 126,0 77,1 132,3 83,2 144,6 97,0 169,3 101,6 206,5 110,6 208,6 106,6 205,7 113,1 207,5 124,9 233,5 143,4 237,9 149,7 247,4 154,1 257,7 159,2 254,5 157,9 261,8 164,5 274,1 173,8 282,1 191,8 317,1 197,7 314,1 193,7 305,1 213,0 342,8 210,1 331,2 217,4 349,6 213,3 344,8 223,5 358,1 230,5 370,3 231,9 372,8 241,6 407,2 253,7 458,3 262,7 458,3 273,8 480,4 279,8 511,6 286,9 551,1 296,1 576,2 305,9 575,3 317,3 595,5 325,3 610,7 330,1 614,1 340,6 629,6 344,9 639,9 350,8 646,4 365,2 672,0 378,4 688,1 394,3 722,6 404,4 762,7 422,1 787,4 434,3 813,3 448,8 845,0 457,8 911,8 Ambiente 10,9 10,7 10,9 11,4 11,4 11,0 11,1 11,5 11,5 11,4 11,4 11,8 12,2 12,0 12,6 13,2 13,0 12,3 12,5 13,4 13,3 12,7 12,7 14,7 12,7 13,8 14,8 15,4 15,4 16,0 15,5 15,9 16,0 16,7 17,3 19,4 17,8 19,0 19,9 19,7 21,0 20,4 20,4 22,6 22,5 21,5 22,7 23,0 23,6 23,3 23,8 23,7 10 de 17
Tempo Transcorrido (hh:mm) 5:50 5:55 6:00 6:05 10:15 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25 11:30 Frente 961,8 939,9 918,5 897,2 434,2 425,7 313,8 284,7 322,9 299,8 261,7 249,9 227,5 233,6 236,5 223,5 218,2 220,2 219,9 201,8 Temperaturas Registradas (ºC) Chaminé Atrás 426,8 817,8 422,9 865,8 425,4 838,5 420,8 852,0 292,3 382,9 287,6 349,8 272,8 237,5 267,0 168,3 259,7 156,0 254,6 141,0 249,1 168,0 242,9 146,0 238,2 154,4 232,1 155,6 227,6 134,3 222,8 111,4 217,9 107,7 213,4 116,5 208,4 110,0 204,6 97,1 Ambiente 25,5 25,2 25,0 27,2 25,2 25,1 25,5 24,6 24,5 24,2 25,8 24,3 24,6 24,4 24,3 23,8 23,6 23,1 21,3 21,0 11 de 17
3 Fotos da fornada de tijolos Carga de tijolos e lenha utilizada Carga de tijolos e forno 12 de 17
Fornalha e chaminé do forno Carregamento do forno e detalhe da entrada da chaminé 13 de 17
Detalhe da fornalha e início da carga do forno Carregamento do forno e tijolos a serem introduzidos 14 de 17
Arranjo final da carga de tijolos 15 de 17
Forno fechado e em processo de aquecimento Final do processo de queima - observação dos tijolos na visita da parte traseira do forno 16 de 17
Forno abafado após final da queima 4 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS Fluke Hydra Series II modelo 2625A Termômetro digital, sensor tipo K Salvterm 1.200 k Medidor de Umidade Texto 606-2 17 de 17