SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE BIOMASSA POLIDISPERSA
Brossard L. E.; Cortez L. A.; Braunbech O. A.; Lomardi E. A
Área Interdisciplinar De Planejamento Energéticos-Faculdade de Engenharia Mecânica
Universidade Estadual de Campinas. Unicamp.
Cidade Universitária Zeferino Vaz
13083-970 Campinas/SP tel: (019)788-7242 Fax: (019) 289-4717
RESUMO
Na atualidade os sistemas
de
alimentação de biomassa polidispersa estão
compostos geralmente por um silo e na saída dele
uma rosca sem-fim ou um transportador. A
biomassa polidispersa apresenta propriedades
típicas: entrelaçamento das fibras, presença de pó
coesivo e larga distribuição granulometrica. Estas
propriedades fazem com que o material ensílado
cria o chamado arco ou ponte, dificultando ou
impedindo seu escoamento. O arco é formado
perto da boca de saída do silo na qual há uma
seção convergente chamada de tremonha.
Estudando as propriedades da biomassa
polidispersa chegou-se à conclusão de que uma
possível alternativa viável para sistemas de
alimentação de biomassa é o sistema de remoção
constante dentro do silo. Isto elimina o uso da
tremonha e os possíveis problemas de
escoamento do material.
O sistema proposto neste trabalho esta
composto basicamente de um silo de paredes
negativas, um removedor no fundo do silo, um
raspador , uma rosca sem-fim e um redutor.
ABSTRACT
Presently the feeding systems of
polydispersed biomass are composed by a silo,
which has at its bottom an endless screw or a
transportation band.
Typically polyspersed biomass is
characterised by the presence of matter linking
between fibbers, cohesive biomass powder and
finally a bread granulometric distribution. These
properties are the cause of archs or bridges
occurrence formed inside the silo, specifically at
its convergent section, which hinder the down
movement of the stored material. This paper
deals with an alternative feeding system, based
on the study of the properties of polydispersed
biomass, which is expected to allow a free flow
of the biomass in the silo.
The proposed system is basically
composed of a negative wall silo having
removing and scratching devices as well as an
endless screw and reductor.
In this new design, the final convergent
section of the silo is suppressed.
INTRODUÇÃO
No Brasil os combustíveis sólidos mais
utilizados são o carvão mineral e a lenha. O
carvão mineral esta restrito a região sul, ele é
utilizado principalmente na produção de energia
termoeléctrica e na industria cimenteira. Devido
ao seu alto teor de cinzas e enxofre, não e muito
utilizado industrialmente quando fica longe das
minas produtoras. A lenha é um combustível
amplamente utilizado no Brasil na área industrial
e domestica, é utilizada na industria para geração
de vapor, principalmente em pequena unidades
produtoras. É caracterizado por seu baixo teor de
cinzas, ausência total de enxofre e umidade
variável, que depende do método de
armazenagem.
A
utilização
de
combustíveis
provenientes da biomassa na atualidade tem seu
maior uso nas usinas para geração de energia
elétrica, a utilização da biomassa como fonte de
energia na atualidade esta apresentando
problemas na sua alimentação isto deve-se a que
a biomassa tem uma morfologia muito variada o
que dificulta seu uso em pequena escala, porém
na atualidade a biomassa aparece como uma
variante muito interessante por o fato de que é
uma “alternativa limpa” e renovável de
fornecimento de energia.
Os combustíveis sólidos são utilizados
como fonte de energia em fornos e fornalhas que
em fornos e fornalhas que são aparelhos em que o
material é aquecido sob condições controladas,
cujas condições podem ser velocidade de chama,
temperatura máxima, temperatura de aquecimento,
rapidez de esfriamento, e controle da atmosfera
entre outros.
Os fornos podem ser classificados de
combustíveis, elétricos, solar, etc, além de que
podem ser classificados em descontínuos e
contínuos. A alimentação destes aparelhos
necessitam de um equipamento que permita
variar diversos parâmetros em sua alimentação,
como pode ser fluxo e velocidade de carga.
Os alimentadores são transportadores
que tem como finalidade alimentar um sistema ou
processo. Podem ser contínuos, mecânicos ou
pneumáticos Para a alimentação de um forno ou
fornalha é necessário um sistema de alimentação
o qual esta composto basicamente de um
transportador e de um silo o qual permitiria
armazenar o material para ser transportado até a
entrada do forno ou fornalha.
OBJETIVO
No presente trabalho pretendesse expor
os principais problemas que acontecem quando
utilizam-se silos com tremonha em sistemas de
alimentação de biomassa polidispersa,
Propor um sistema de alimentação
mediante o qual eliminaram-se os problemas
atuais dos sistemas de alimentação
SILOS
Silos verticais são construções que tem
como finalidade o armazenamento do material de
um produto. A retirada deste produto do silo
requer que este escoe para a parte inferior, onde
normalmente há uma seção convergente
denominada tremonha.
A tremonha de um silo é a região
convergente do silo, que reduz a seção
transversal para a dimensão da abertura de saída.
Podem ser de formato cônico, de base
circular, ou formada por superfícies planas, como
um tronco de pirâmide ou um tronco de prisma,
cujas bases podem ser retangulares ou quadradas
(PINHEIRO, 1968).
(JENIKE1964) determinou os limites
para ocorrência de cada tipo de escoamento (de
massa ou de funil), tanto para os silos de
tremonha cônica como para os silos de tremonha
em cunha. Estes limites dependem do ângulo de
inclinação das paredes do silo, do ângulo de atrito
com as paredes, e do ângulo de atrito interno do
material.
O fluxo funil ocorre quando a parede do
silo não é suficientemente íngreme, e sua
superfície não é suficientemente lisa. Neste caso,
o material da superfície escorrega parra um canal
central vertical, e cai através deste ate a boca de
saída.
Nas seguintes figuras (1), (3), (4)
mostram-se os principais problemas que ocorrem
quando utilizam-se silos com tremonha.
Figura1 Principais problemas que ocorrem quando
utilizam-se silos com tremonha
Propriedades do bagaço de canade-açúcar
O bagaço de cana é um material de
difícil manuseio devido ao sinergismo do
entrelaçamento das fibras, da presença de pó
coesivo, e larga distribuição granulométrica de
ambas as frações, resultando em grande tendência
de formação de estruturas em arco que dificultam
seu escoamento. Como a posição das fibras na
matriz depende do processo de disposição do
material no local onde analisamos, raramente
encontram-se igualmente distribuídas, sendo
comum o caso de termos maior porcentagem de
fibras na posição horizontal ou alinhadas com o
deslocamento do material. Portanto, pode-se
prever um comportamento anisotrópico do
material.
FORMAÇÃO DE ARCOS
O arco é um tipo de estrutura que pode
ocorrer na seção convergente de silos verticais,
no momento em que se abre sua saída, ou durante
o escoamento do material.
(CARSON e MARINELLI 1992) e
(CALI Jr. 1990) explicam que dois tipos de arcos
podem-se formar na saída: arco coesivo ou arco
intertravante (também chamado arco mecânico),
mostrados na figura (1).
Com relação as propriedades do bagaço
e palha de cana de açúcar pode-se dizer que não é
recomendável usar silos com tremonha em
sistemas de alimentação quando utilizam-se
materiais coesivos, isto deve-se a formação de
arcos próximos abertura de saída ou de um tubo
no centro do silo, como pode ser visto na figura
(1).
Segundo (ROBERT 1995) existe um
equacionamento elementar que distingue a
coesão do ângulo do atrito interno. Como
exemplo menciona-se a coesão (c), esta
propriedade é observada quando se comprime
uma amostra de material na mão e ao abrir-se
esta, o material preserva a forma. Areia é um
material tipicamente não coesivo, enquanto barro
argiloso úmido é bastante coesivo. Já o ângulo de
atrito interno do material é uma propriedade que
depende da pressão normal ao plano de
cisalhamento da mostra, da tensão cisalhante
exercida sobre o material para ocasionar o
deslocamento, e da coesão. A expressão que
relaciona estas grandezas é a equação de
COULOMB ( SCHOFIELD E SUTTON,1997 E
GOMIDE 1983).
τ=c+σtanθ.
(1)
JENIKE definiu o fator fluxo (ff) de um
canal convergente como a relação entre a tensão
principal de consolidação e a tensão de
compressão que se estabelece em um arco
distribuído até as paredes do silo σ 1 .mostradas
na figura (2)
ff=σ1/σ1
(2)
Fig 2 Tensão no arco coesivo.
Quando a tensão a que resiste uma
amostra inconfinada do material, σc, for maior do
que a tensão existente no arco (σ1) ocorre a
formação de um arco estável que impede o
escoamento do material do silo. Portanto para
que o escoamento ocorra é necessário a seguinte
condição.
σ1 >σc
σ1/σc >ff
(3)
SEGRAGAÇÃO
Uma
propriedade
comportamento do material
relevante
no
ensílado é a
tendência de segregação é um fenômeno que só
ocorre quando o material tem partículas de
diferentes dimensões e/ou o descarregamento do
silo leva a separação destes ou dos mesmos
Quando há segregação das partículas a
distribuição granulométrica e o diâmetro meio do
material que sai do silo no inicio do processo
diferem consideravelmente do material que sai no
final do processo, causando uma alimentação
desigual, isto pode ser prejudicial sim no
processo é necessário uma alimentação continua
e homogênea, como é o caso do reator de leito
fluidizado, levando como conseqüência que as
reações finais do processo não sejam as
desejadas.
SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO
ACTUAIS
Os sistemas de alimentação de
combustíveis sólidos estão compostos geralmente
por um silo e um dosador, o qual geralmente é
uma rosca-sem-fim, estos aparelhos podem variar
dependendo da quantidade de combustível que
vai-se alimentar, eles podem ter uma rosca, ou
um pente de rosca. O silo tem como finalidade
armazenar o material que vai alimentar a
fornalha, onde normalmente há uma seção
convergente denominada tremonha. Quando a
alimentação do aparelho é feito com materiais
não homogêneos como a biomassa de cana-deaçúcar a alimentação apresenta problemas, isto
deve-se as propriedades do material que vai ser
alimentado e pela geometria do silo. Na figura
(3), (4), mostram-se os problemas mais comuns
que ocorrem nos sistemas de alimentação
convencionais
SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO
PROPOSTO
O sistema de alimentação atual esta
composto basicamente por um silo de paredes
negativas, um removedor no fundo deste, um
raspador e um redutor com um variador de
freqüência, na parte inferior do silo temos uma
pequena janela pela que saíra a biomassa que é
movida pelo removedor, a qual caíra na rosca
sem-fim, na figura (4) mostrasse o sistema de
alimentação proposto.
O silo de paredes negativas vai evitar a
formação dos chamados pontes ou arcos, o
removedor vai ter como tarefa garantir que o
material não fique grudado no fundo, alem de que
evitaria a segregação do material, garantindo
assim uma alimentação homogênea. O variador
de freqüência cambiara as velocidades de
alimentação do sistema garantindo assim que
possam-se variar os fluxos na alimentação.
Figura 3 Problemas que ocorrem quando utilizamse silos convencionais em sistemas de alimentação
Figura 5 Sistema de alimentação proposto
CÁLCULOS DO SISTEMA DE
ALIMENTAÇÃO PROPOSTO
Calculo da potência necessária
para mover o raspador do fundo do silo.
t: torque (N.m)
N: revoluções por min (rpm).
Figura 4 Problemas que ocorrem quando utilizamse silos convencionais em sistemas de alimentação
ρ: densidade do material ( kg
µ: coeficiente de atrito
Hp r : potência do redutor (w)
m3 )
da = drrdα
dn = ρhda
φ,m,π,D,δ
dfα = µ dn
dt = rdfα
2π r
α=90-φ
α=45ϕ=
R=
R=R(0.92-0.005.ϕ)
P=2π.R.Tan α
R=R(0,837-0,017ϕ)
P=2π.RTan
2π r
2
r3
r
µρ
hd
α
dr
∫0 ∫o
3 2
tr= 0 0
=
=
πµρh (N.m)
∫ ∫ dt
Hp r = t 2π
N
(w)
60
Calculo do torque e Potência da
Rosca sem-fim. (SHELESINGER.D, e
PAPKOV. A., 1997)
m
Nomenclatura
D: diâmetro (m)
g: aceleração da gravidade 9,81 (
2
s )
γ
: densidade do material ( kg
P= P
m3 )
NÃO
P>Pmax
SE
P= Pmax
N, φt, g
L: comprimento da rosca sem-fim (m)
α eff : ângulo efetivo
N: revoluções (rpm)
Reff : raio efetivo (m)
φ : ângulo de atrito do material com as
pás da rosca sem-fim (°)
φ t : ângulo de
atrito
do
Q=N.P...γ.60
T=
H.P=T.2π.
material
transportado com o canal da rosca sem-fim (°)
Φ : coeficiente de enchimento (%)
m: massa do material dentro do tubo
(kg)
P,Q,T,H.P
Kg
Q : vazão (
)
h
p : passo (m)
Fim
CONCLUSÕES
1.
2.
METODOLOGIA DE CÁLCULO.
Pode-se concluir que:
Os sistemas de alimentação atuais quando
utilizam biomassa em sua alimentação não
estão sendo eficientes, isto deve-se em
grande medida à geometria do silo,
Quando no sistema de alimentação utilizamse silos de paredes negativas espera-se que o
material não forme arcos, garantindo assim
uma alimentação constante,
A
3.
Se colocasse um removedor dentro do silo de
forma a procurar a movimentação continua
diminuir-se-á a segregação do material.
PALAVRAS CHAVES
Sistema de alimentação, silos, biomassa
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
[1] PINHEIRO, V.A., Noções de
Geometria Descritiva , Rio de Janeiro, 185p
1968;
[2] JENIKE, A.W., Storage and Flow
of Solids-Bulletin 123, University of Utah,
Engineering Experimentation Station, Salt Lake
City, nov., 1964,
[2] MARINELLI, J., CARSON, J. W.,
Solve solids flow Problems in Bins, Hoppers,
and Feeders Chem. Eng. Progress, p. 22-28,
May 1992;
[3] CALIL Jr., C ., Recomendações de
Fluxo e de Cargas para Projetos de Silos
Verticais . São Carlos: EESC, USP, 1990,
[4] ROBERTS, A.W, 100 Years of
Janssen Bulk Solids Handling, v.15, nº 3, p.
369-383, Jul/Sept., 1995;
[5] SCHOFIELD, C., SUTTON, H.M. Systems Aproach for In-Plant Bulk Materials
Handling, Chemical Engineering, p.103-110;
Mar, 1997,
[6] GOMIDE, R Operações Unitárias –
1
Volume:
Operações
com
Sólidos
Granulares.: Edição do Autor, 293p, 1983.,
[7]
SCHLEIDSENGER,
D.,
e
PAPKOV.A., Screw Conveyor Calculation
Based on Actual Material Properties., Powder
Handling & Processing, v9, n4, p. 321-325, OctDec 1997;