Novo Princípio de Medição de Umidade de BIOMASSA através de Ressonância Magnética. Lasse Kauppinen lasse.kauppinen@metso.com Metso Automation Kajaani Finlândia Samuel Macedo samuel.macedo@metso.com Metso Automation Brasil Sorocaba/SP Resumo O presente artigo apresentar o método de medição de umidade utilizando a tecnologia de Ressonância Magnética (MR) que faz uma relação entre a medição de peso da amostra e os átomos de hidrogênio a partir de moléculas de água livres presentes na amostra. 1 - Introdução A umidade é uma das características mais medidas nas matérias-primas usadas na nossa indústria. Diferentes tecnologias têm sido aplicadas na medição do teor de umidade desses materiais, sendo que o padrão tem sido a tradicional secagem em forno. No entanto, este método exige recursos e tempo significativo para gerar resultados. Agora através de um modo rápido e eficaz é possível medir o teor de umidade de quase todos os materiais que contêm água. O recém método para medir umidade por Ressonância Magnética é diferente de qualquer outro existente em uso. Esta inovadora tecnologia mede o teor de água, medindo os átomos de hidrogênio a partir de moléculas de água livres presentes na amostra. Essa tecnologia se baseia no mesmo fenômeno científico da Imagem por Ressonância Magnética (MR), comumente usado na área médica. O método MR foi simplificado a partir dos dispositivos MR para poder ser eficazmente aplicado na indústria. O teor de água é analisado através do sinal de ressonância magnética induzido por átomos de hidrogênio nas moléculas de água dispostas em campos magnéticos. O presente estudo pretende explicar como esta medição funciona e mostrar onde pode ser aplicada atualmente em pátios de madeira. Esta nova medição pode ser usada para medir o nível de umidade de praticamente quase todas as amostras que contenham água, que vão desde cavacos de madeira até lamas de minério. Embora esta tecnologia tenha sido desenvolvida principalmente para a crescente indústria de biocombustível, ela também é capaz de medir quase todo material volumoso que não contenha ingredientes ferromagnéticos. Possíveis aplicações na indústria incluem celulose e alguns minerais específicos. Como materiais adequados temos amostras com base em madeira, como cavacos de madeira, cavacos de residuos florestais e turfa. Este método pode ser usado também para medir o teor de umidade de fibras anuais, como palha e fibras. Além destas aplicações, a medição se aplica ainda a minerais, gêneros alimentícios e lamas. Este método tem demonstrado desafiar o nível de precisão do tradicional método de secagem em forno e a análise também é mais rápida, levando de 30 segundos a 2 minutos, dependendo do teor de umidade e da composição da amostra. A precisão tem sido de aproximadamente 1% em amostras com níveis de umidade entre 10% e 90%.
2 - Seção 1: Contextualização O teor de umidade de muitos materiais usados hoje na indústria de celulose e biocombustível está cada vez mais importante na otimização da operação de suas fábricas. Na indústria de celulose, esse teor começa bem no início do processo. Cavacos de madeira são usados como matéria-prima na fabricação de massa kraft. A maioria das fábricas compra cavacos com base no peso, incluindo o teor de umidade assumido. Na indústria de energia por biocombustível, a matéria-prima pode vir de uma diversidade de materiais, porém a maioria vem de algum tipo de madeira. Também é possível comprar matérias-primas com base em um valor assumido do combustível. Esse valor depende muito do teor de umidade dos biocombustíveis. O custo da matéria-prima poderá ter um melhor controle se o teor de umidade real for conhecido. A tecnologia para medir rapidamente esse teor de umidade está sendo oferecida através do novo analisador de umidade por ressonância magnética. A medição compara a precisão do método de secagem por forno padrão da indústria, normalmente usado para determinar tal teor, além de exigir mais tempo para realizar o teste de modo correto. A análise feita pelo analisador por ressonância magnética leva menos de dois minutos. Esta medição rápida vai melhorar enormemente a capacidade das fábricas na compra de matéria-prima com base no valor real do material, com mais precisão e muito mais rapidez. O método de análise de umidade por ressonância magnética mede o teor de água através dos átomos de hidrogênio nas moléculas de água livres, presentes na amostra, conforme ilustrado no presente estudo. 3 - Seção 2: Desenvolvimento da Medição Os dispositivos de Imagem por Ressonância Magnética usados na indústria médica aplicam um pulso de radiofrequência (RF), específico apenas para o hidrogênio. O dispositivo conduz o pulso na direção da área do corpo a ser examinado. Quando o pulso é aplicado, os prótons absorvem a energia e spin novamente em uma direção diferente. Esta é a parte de "ressonância" da MRI. O pulso de RF deve estar na frequência de Larmor para poder ativar os spins. A finalidade do pulso de RF é a ativação da ressonância. A frequência específica de ressonância denomina-se frequência de Larmor e é calculada com base no tecido particular no qual se forma a imagem e a intensidade do principal campo magnético. Ao desligar o pulso de RF, os prótons de hidrogênio lentamente voltam para seu alinhamento natural dentro do campo magnético e liberam a energia absorvida dos pulsos. Quando fazem isso, eles emitem um sinal que as bobinas captam e enviam para o sistema de computação. A MRI é usada para formar a imagem de cada parte do corpo, o que é particularmente útil para os tecidos com muitos núcleos de hidrogênio e pouco contraste de densidade. Os equipamentos de MRI consideram que o tecido do corpo contém muita água e, por isso, prótons (íons de H + ), se alinham em um grande campo magnético. Cada molécula de água tem dois núcleos ou prótons de hidrogênio. Quando uma pessoa estiver dentro de um campo magnético energizado do scanner, o momento médio magnético de muitos prótons ficará alinhado com a direção do campo. Uma corrente de radiofrequência é ligada por pouco tempo, produzindo um campo eletromagnético variável. Esse campo tem a frequência certa, conhecida como frequência de ressonância a ser absorvida e vira o spin dos prótons no campo magnético. Depois que o campo eletromagnético é desligado, os spins dos prótons retornam para o equilíbrio termodinâmico e a magnetização se realinha com o campo magnético estático. Durante o relaxamento, um sinal de radiofrequência (radiação eletromagnética na faixa RF) é gerado, que pode ser medido com bobinas receptoras. O corpo humano é constituído em sua maioria de água e gordura. A água e a gordura têm muitos átomos de hidrogênio, o que faz com que o corpo tenha 63% de átomos de hidrogênio. Os núcleos do hidrogênio têm um sinal de Ressonância Magnética Nuclear. O sistema de imagem por ressonância magnética MRI gera principalmente imagens do sinal NMR a partir do núcleo do hidrogênio. O sistema de imagem por ressonância magnética MRI é um teste que usa um campo magnético e pulsos da energia de onda de rádio para gerar imagens de órgãos e estruturas dentro do corpo. O analisador de umidade por ressonância magnética usa a parte de ressonância magnética desses dispositivos para medir a quantidade de umidade em uma amostra.
4 - Seção 4: Método de Medição A imagem por ressonância magnética MRI foi originalmente desenvolvida a partir da tecnologia de Ressonância Magnética Nuclear. A medição de umidade por ressonância magnética se baseia na mesma tecnologia NMR usada pelos dispositivos MRI na indústria médica. No entanto, eles se fundamentam em uma parte mais simplificada da tecnologia NMR do que os sistemas de imagem, conforme explicação a seguir. Os núcleos atômicos de uma molécula de água (como mostra a Figura 1) de um átomo de hidrogênio têm um spin cujo momento magnético é similar a pequenos ímãs permanentes. Figura 1 Molécula de água O momento magnético está ilustrado na Figura 2. Figura 2 Momento magnético A Figura 3 mostra como núcleos de hidrogênio individuais em um campo B 0 externo se orientam em paralelo ao campo magnético quando o ímã é aplicado à amostra.
Figura 3 Alinhamento dos núcleos em um campo magnético Sempre que um pulso de radiofrequência (RF) específico para hidrogênio for aplicado também à amostra, os núcleos do hidrogênio girarão em um ângulo proporcional ao comprimento dos graus do pulso e começarão a girar em fase, como mostra a Figura 4. Figura 4 Rotação dos núcleos de hidrogênio durante o pulso de RF Após o pulso de RF, os núcleos que se comportam como ímãs em rotação criam um campo magnético alternativo. Esse campo é chamado de eco de spin nuclear e pode ser medido com uma bobina. A Figura 5 mostra como ocorre a medição. Depois que o vetor de magnetização estiver no plano XY, ele girará na direção do campo B o (eixo Z). Como a magnetização transversal gira ao redor do eixo Z, uma corrente será induzida em uma bobina de fio que fica ao redor do eixo X. Figura 5 Rotação dos núcleos Se a corrente gerada em função do tempo for organizada, será produzida uma onda senoidal, indicando o sinal do Eco Nuclear, como mostra a Figura 6. Esta figura ilustra o sinal de uma amostra que contém 200, 400 e 700 gramas de água.
30 20 200g water 400g water 700g water 10 0-10 -20-30 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Figura 6 Sinal do eco nuclear Se medirmos a magnitude do sinal em relação ao tempo mostrado na Figura 6, ou organizarmos a magnitude em relação ao tempo como mostra a Figura 7, a magnitude da onda senoidal corresponderá à quantidade de água na amostra. 30 25 200g water 400g water 700g water 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Figura 7 Magnitude do sinal do eco nuclear O analisador por Ressonância Magnética usa essa magnitude para determinar o teor de massa da amostra. Ele compara a massa da água na amostra com a massa total da amostra para determina a porcentagem de umidade da amostra. Essa medição tem dado bons resultados em várias matériasprimas. A Figura 8 mostra alguns resultados anteriores do teste.
Figura 8 Resultados anteriores Os resultados anteriores foram realizados com cavacos de madeira, resíduos florestais, turfa, junco e fibra de celulose. A precisão foi de aproximadamente 2% na medição de umidade relativa e o tempo de medição foi inferior a um minuto. O modelo mais recente do analisador foi melhorado embora o tempo de medição possa ser estendido, se for para melhorar a precisão. A medição poderá durar até dois minutos se precisar de tempo adicional. A quantidade de tempo necessária é determinada pelo tipo de amostra sendo analisada. Normalmente, isso tem melhorado a precisão do analisador em aproximadamente 1% do teor de umidade. A Figura 9 mostra alguns resultados do mais recente modelo do analisador. Figura 9 Resultados recentes
5 - Seção 5: Aplicação da Medição Para ilustrar exatamente como funciona a medição, a Figura 10 mostra como se aplica o Magnetismo e o sinal RD à amostra. Figura 10 Modelo do analisador Durante a medição, o teor de água é medido com o método MR, como mostra a Figura 11. Figura 11 Método MR A massa total da amostra também é medida, como aparece na Figura 12.
Figura 12 Medição da massa Depois de concluídas as duas medições, o teor de umidade é calculado, como mostra a Figura 13. Figura 13 Cálculo da porcentagem de umidade
6 - Seção 6: Importância da Medição O teor de umidade da matéria-prima usada em caldeiras de biocombustível e na produção de celulose e papel é muito importante por muitas razões. Nas caldeiras de biocombustível, em vista do aumento no teor de umidade do combustível, a massa total do combustível que chega aumenta também, porém o conteúdo energético real do combustível diminui, conforme mostra a Figura 14. Figura 14 Peso do Caminhão x conteúdo energético Como o valor de calor diminui, o valor da carga do caminhão diminui também. Para caminhões com a mesma massa, um exemplo do valor real (em Euros) do caminhão em relação ao teor de umidade aparece na Figura 15. Figura 15 Preço do Caminhão x % de umidade
Ainda, como o teor de umidade dos cavacos de madeira que abastece os pátios de madeira para a indústria de celulose muda, o valor da matéria-prima muda também. Essas mudanças são similares para o modo mostrado nos gráficos acima. Este fato não apenas afeta o valor da matéria-prima, mas tem uma grande influência no modo de cozimento dos cavacos no processo de cozimento. Como o teor de umidade dos cavacos que alimentam os digestores usados no processo de cozimento muda, a quantidade de líquido adicionado no cozimento precisa mudar também. Se o total de líquido para a taxa de madeira não for bem controlado, a qualidade da polpa proveniente dos digestores sofrerá mudança também. Por esses motivos, uma medição de umidade precisa e rápida resultará em economia significativa e melhoria da qualidade nas fábricas de biocombustível e de celulose. 7 - Conclusão A umidade sendo uma das características mais medidas nas matérias-primas usadas na nossa indústria exige uma medição precisa e rápida. A tradicional secagem em forno tem sido o padrão para muitos desses materiais, porém este é um processo lento e que requer mão de obra para gerar resultados. Hoje existe um sistema de medição preciso e rápido para medir o teor de umidade de quase todos os materiais que contêm água. O recém método de medição de umidade por Ressonância Magnética é diferente dos métodos existentes em uso. Esta nova tecnologia mede o teor de água através dos átomos de hidrogênio nas moléculas de água livres presentes na amostra. Nenhum outro método de medição existente funciona desse modo. O teor de água é analisado através do sinal de ressonância magnética (MR) induzido por átomos de hidrogênio nas moléculas de água em campos magnéticos. Este novo método pode ser usado para medir o nível de umidade de praticamente quase todas as amostras contendo água, desde cavacos de madeira até lamas minerais. Os materiais adequados incluem amostras à base de madeira, como cavacos de madeira, cavacos de resíduos florestais e turfa. Este método também pode ser usado para medir o teor de umidade de fibras anuais, como palha e fibras. Este método tem demonstrado desafiar o nível de precisão do tradicional método de secagem em forno e a análise também é mais rápida, levando de 30 segundos a 2 minutos, dependendo do teor de umidade e da composição da amostra. A precisão tem sido de aproximadamente 1% em amostras com níveis de umidade entre 10% e 90%. O dispositivo tem uma calibração simples de dois pontos. A análise é feita com uma amostra inteira de água e a segunda é um recipiente vazio para calibrar o analisador. Esta calibração é adequada para todos dos tipos de amostra. Dados dos Autores Lasse Kauppinen Bacharel em Engenharia de Processos pela Universidade de Oulu e Gerente de Produtos para as divisões de Energia e Mineração na Metso Automation. Samuel Macedo Bacharel em Administração de Empresas e Engenharia Mecatrônica e responsável por desenvolvimento de negócios na Metso Automation Brasil para o mercado de Energia na divisão de PAS (Process Automation System).