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
[email protected]
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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
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.
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 200oC, 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.
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)
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 270oC 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 30oC. 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 30oC até 100oC é dada por:
E1 = (cp,mad . mmad + cp,água . mágua) . ∆T1
(1)
A quantidade de energia necessária para vaporização da água na madeira é dada por:
E2 = hvap.água . mágua
(2)
Assim, a quantidade total de energia necessária para a secagem de toda a madeira enfornada é de E =
46.080,91MJ.
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 150oC. 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 50oC. Assim a energia perdida no interior do forno nestas condições é dada por:
E=m.cp.∆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 malcatrão = 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 200oC. 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
Fundo
Porta
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 160oC. 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 155oC. 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 170oC.
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 200oC. 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.
Tabela 1: Resultados obtidos para o processo de carbonização com a secagem preliminar da madeira.
Teste
Data de ignição
Temperatura de
injeção [oC]
Tempo de
injeção
1
2
3
06/10/2006
26/11/2006
12/12/2006
155
150
155
66 h
32h e 45 min
34 h
Umidade inicial
da madeira
[%b.u.]
14,8
34,4
23,3
Rendimento
Gravimétrico
[%]
39,8
26,7
28,4
Tempo de
Carbonização
[Dias]
1,2
1,5
1,5
Tabela 2: Resultados obtidos para o processo de carbonização sem a secagem da madeira.
Fornada
1
2
3
Data de
ignição
20/7
25/8
14/9
Umidade da madeira [%
b.u.]
13,4
21,7
36,2
Rendimento
Gravimétrico [%]
22,4
21,6
24,4
Tempo de
Carbonização [Dias]
2
3
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.
Massa [kg]
Espécie
Madeira
Umidade [% bu]
Diâmetro médio [cm]
Massa [kg]
Carvão
Umidade [% bu]
Rendimento gravimétrico [%]
Global
Carbono fixo [%]
Tiço
Massa [kg]
1º Teste
65500
Cloeziana
14,8
6,7
24000
5,8
39,8
73,9
3510
2º Teste
54000
Urophyla
34,4
7,9
11000
10,5
26,7
3º Teste
69000
Cloeziana
23,3
11,3
17000
10,4
28,4
1580
6290
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 170oC. A ignição prematura da
madeira nestes casos foi atribuída a vestígios de carvão no piso do forno.
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
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UNIDADES E NOMENCLATURA
E
cp
m
T
hvap.água
energia (kJ)
calor específico (kJ/kg K)
massa (kg)
temperatura (K)
entalpia de vaporização da água (kJ/kg)