Capítulo 8

Energia no Pré-processamento de Produtos Agrícolas

Capítulo

8
ENERGIA NO PRÉ-PROCESSAMENTO DE PRODUTOS AGRÍCOLAS Roberto Precci Lopes Juarez de Sousa e Silva Edney Alves Magalhães Jadir Nogueira da Silva 1. INTRODUÇÃO Na produção de grãos, a secagem, no caso específico do milho, pode representar até 50% do consumo total de energia. Apesar de haver, à disposição do usuário, equipamentos para controle de processos, a tomada de decisão para a otimização de uma determinada operação cabe ao operador. As operações de secagem e armazenagem, quando conduzidas corretamente e com equipamentos eficientes, contribuem significativamente para a redução dos custos operacionais, em razão da economia de energia que propiciam. Os procedimentos a serem adotados para melhorar o uso da energia em processos agrícolas, em especial na secagem de grãos, dependem do tipo de sistema de secagem e dos manejos adotados. Os sistemas de secagem com ar natural ou com o ar levemente aquecido são exemplos de sistemas econômicos. No capítulo 5 – Secagem e Secadores é mostrado que, colhendo milho com 25% e secando-o até 18% num sistema a altas temperaturas, e completando a secagem até 13% num silo secador-armazenador, pode-se economizar até 50% do combustível e dobrar a capacidade do secador. Entretanto, não basta apenas adotar o sistema de secagem mais econômico. É preciso bom conhecimento sobre conservação de grãos, para que o produto não se deteriore durante a fase de secagem/armazenamento com ar natural e a baixas temperaturas. Na secagem com ar natural, embora se utilize a entalpia do ar como fonte de energia para a secagem, há que considerar o custo da energia elétrica para acionamento dos ventiladores, que, dependendo do número de unidades secadoras (volume de grãos a serem secos), pode representar um custo considerável. Caso haja uma programação por parte da concessionária de energia elétrica, deve-se optar pela operação com tarifa diferenciada e, se possível, evitar o funcionamento do sistema em horários de ponta.

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Capítulo 8 2. COLHEITA E ENERGIA

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A antecipação da colheita como prática para economia de energia na secagem constitui um equívoco, sendo muito utilizada por alguns fabricantes de secadores para mostrar a eficiência de seus produtos quando secam grãos com alta umidade inicial. Esta prática reduz as perdas no campo, mas traz como inconveniente um consumo adicional de energia com a secagem de grãos mais úmidos. A necessidade de liberação do campo para novos plantios ou a melhor qualidade do produto colhido antecipadamente são as principais vantagens e, na maioria dos casos, pode compensar o gasto com energia na secagem. A Figura 1 mostra que, para um mesmo teor de umidade final, a quantidade de energia por unidade de água evaporada necessária para a secagem de milho é tanto menor quanto maior o teor de umidade inicial do produto. Por essa razão, a secagem no campo, aproveitando a entalpia do ar ambiente, promove eficientemente a secagem de grãos úmidos, principalmente quando a umidade relativa de equilíbrio está próxima a 100%. Por outro lado, é preciso observar que, quanto maior o teor de umidade inicial do milho, apesar da menor quantidade de energia necessária à remoção por kg da água do grão, a quantidade total de energia requerida para secar o produto até o teor de umidade adequado ao armazenamento aumenta para grãos com maior teor de umidade inicial. A Figura 2 mostra que a quantidade de energia gasta para secar uma tonelada de milho de 18% para 13% é de 140.825 kJ, ao passo que a quantidade de energia para secá-lo de 28% para 13% é de 413.577 kJ ou três vezes maior. A economia de energia que se obtém, não considerando o rendimento do secador e os gastos com movimentação de ar, é de 272.752 kJ por tonelada de milho. Em termos energéticos, não é vantajoso colher grãos com teor de umidade elevado. Deve-se colhê-los no teor de umidade que minimiza as perdas na colheita. A capacidade de colheita e a dos equipamentos de secagem são também parâmetros importantes para a economia de energia. A demora, ou a rapidez, da colheita levará a grãos com menores ou maiores teores de umidade e, se a capacidade de secagem for inferior à de colheita, implicará um custo adicional com energia para manutenção de grãos úmidos sob aeração em silos pulmões e com possível início de deterioração do produto.
kJ/kg de água evaporada 2.480 2.460 2.440 2.420 2.400 2.380 16 18 20 22 24 26 28 30 Teor de umidade inicial, %
T ar = 60 C Umidade final

Uf = 13 % bu Uf = 15 % bu Uf = 18 % bu Uf = 20 % bu

Figura 1 – Energia necessária à remoção de um quilo de água durante a secagem de Milho.

200

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480 430 380 330 280 230 180 130 80 30

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T ar = 60 C

Umidade final Uf = 13 % bu Uf = 15 % bu Uf = 18 % bu Uf = 20 % bu

Energia, MJ

16 18 20 22 24 26 28 30 Teor de umidade inicial, % b.u.

Figura 2 – Quantidade de energia necessária à secagem de uma tonelada de milho 3. RACIONALIZAÇÃO DE ENERGIA 3.1. Recomendações Práticas A implantação de um programa interno de conservação de energia constitui o primeiro passo para o combate ao desperdício e o uso racional da energia dentro de uma unidade armazenadora. Um programa bem elaborado permite otimizar o uso da energia, evitando ações isoladas e duplicação de esforços, que tendem a perder seus efeitos ao longo do tempo; é melhor utilizar os recursos econômicos, materiais e humanos para a minimização da relação consumo/serviços, contribuindo assim para a redução dos custos embutidos com energia nas taxas de serviços de armazenagem prestados. Numa unidade armazenadora, a economia de energia resulta das economias obtidas em cada etapa do pré-processamento. Equipamentos limpos e em bom estado de conservação e com manutenção regular constituem medidas básicas para a conservação de energia. Os pontos a seguir são sugeridos para um melhor desempenho operacional com uso racional da energia: 1- Faça uma pré-limpeza eficiente. As impurezas aumentam o consumo de energia na secagem e nas operações de aeração. A instalação de filtros ou ciclones após a fonte de aquecimento e na entrada do secador contribui para a retirada de impurezas responsáveis por incêndios e obstruções à passagem do ar. Clique para ver: vídeo 1 2- Monitore as condições do ar de exaustão com sensores de temperatura e umidade. Estes parâmetros são úteis na determinação da energia contida no ar de exaustão. Se a exaustão estiver com baixa umidade relativa, estude a possibilidade de recuperação de parte deste ar. 3- Faça inspeções freqüentes em máquinas de pré-limpeza, coluna de secagem, plenum de secadores, dutos de ar, costura de chapas de silos e secadores, para certificar-se das perdas de cargas ou fuga de ar. 4- Evite secagem excessiva, verificando freqüentemente o teor de umidade dos grãos. Um descuido na secagem de 1.000 toneladas de milho de 20 para 11% Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas 201

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5-

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b.u., quando normalmente o teor de umidade seria de 13%, resultaria num consumo adicional de energia em 25%. Utilize eficientemente os combustíveis. A presença de umidade nos combustíveis sólidos destinados à queima em fornalhas constitui um obstáculo à produção de calor. A água, ao ser evaporada, subtrai calor do processo de combustão, resultando em saldo menor de energia para a secagem. Quanto mais seco for o material combustível, maior aproveitamento se fará do combustível. Por esta razão, a lenha deve ser protegida das chuvas. O teor de umidade da lenha deve ser inferior a 30%. Na impossibilidade de abrigos para lenha, pode-se empilhá-las na forma de cones. As águas precipitadas sobre o monte escorrerão pela lateral do cone, encharcando apenas as toras superficiais. Escolha uma fornalha com alimentação constante. Caso contrário, evite que a fornalha queime toda a lenha para ser alimentada novamente. Uma alimentação adequada fornecerá temperatura constante ao ar de secagem e melhor combustão da lenha. Durante a alimentação da fornalha com aquecimento indireto, a tiragem promove a entrada de grande excesso de ar, que resfria a temperatura da chama, diminuindo a disponibilidade de energia e provocando aumento da perda de calor sensível pela chaminé. Evite abrir desnecessariamente a entrada de ar primário da fornalha. Secadores modernos dispõem de sistemas de medição e de controle capazes de garantir uma secagem de qualidade e segura; a aquisição de equipamentos modernos quando da ampliação das unidades armazenadoras deve ser considerada, pois, embora representando um custo inicial elevado, o investimento, a longo prazo, é compensado pela qualidade do produto e economia de energia.

3.2. Manutenção de Equipamentos e Iluminação Mesmo reduzindo substancialmente a mão-de-obra, a granelização e automação de unidades armazenadoras fazem destas grandes consumidoras de energia elétrica. Assim, a determinação e eliminação dos pontos de desperdício, por meio de auditoria energética, devem ser uma prática rotineira e executada tanto nos equipamentos elétricos (motores, aquecedores, iluminação, etc.) como em qualquer equipamento que consuma combustível. Todo esforço para manter os equipamentos funcionando adequadamente pode não ser efetivo, se o consumo de energia elétrica estiver fora dos padrões tecnicamente recomendáveis. Na avaliação geral sobre a eficiência de equipamentos específicos, a energia elétrica representa parcela que pode comprometer o rendimento global da unidade de pré-processamento. As medidas sugeridas a seguir podem contribuir significativamente para melhor eficiência dos equipamentos e para o uso racional da energia. 1- Verifique se os condutores elétricos encontram-se corretamente dimensionados. Aquecimento nos condutores elétricos pode significar sobrecarga e colocar em risco a segurança dos equipamentos. As perdas por efeito Joule (aquecimento) também ocorrem em transformadores, motores e 202 Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas

Capítulo 8

Energia no Pré-processamento de Produtos Agrícolas lâmpadas. Estas perdas, que variam com o quadrado da corrente elétrica, são significativas e devem ser erradicadas; uma nova carga só deve ser adicionada ao circuito se estiver prevista no projeto. A fuga de corrente constitui uma causa comum de perda de energia, sendo fator de aumento na conta de energia elétrica. Os pontos de fuga são geralmente causados pelo descaso com a manutenção das instalações, como: emendas malfeitas e ou mal isoladas, fios desencapados ou com isolação degradada, conexões inadequadas, tomadas inadequadas, equipamentos defeituosos, dentre outros. Inspeções nas instalações e teste nos equipamentos são medidas eficazes para detectar pontos de fuga. Evite sobrecarregar os transformadores - quanto maior a carga, maiores as perdas pelo efeito Joule e, conseqüentemente, redução da vida útil do equipamento; os transformadores que trabalham com 80% de sua potência nominal proporcionam rendimento e vida útil satisfatórios; elimine progressivamente os transformadores mais antigos, quando avariados, substituindo-os por equipamentos modernos e eficientes. Dê atenção especial ao fator de potência - valores baixos de fator de potência acarretam correntes elevadas; quedas de tensão acentuadas provocam aumento no consumo de energia; motores e transformadores operando em vazio ou superdimensionados, nível de tensão acima da nominal e grande quantidade de motores de pequena potência são as principais causas do baixo fator de potência em uma unidade industrial. Em unidades armazenadoras que apresentam ociosidade nos períodos de entressafra, deve-se pensar no fato de a instalação ter um transformador extra, de menor porte, para evitar as perdas em vazio nas horas de baixa utilização de energia (embora estas perdas possam parecer desprezíveis em relação à potência total do transformador, elas se tornam significativas quando comparadas com o consumo total da instalação, uma vez que o transformador permanece em funcionamento o tempo todo). Verifique o índice de carregamento dos motores elétricos de transportadores, exaustores e ventiladores, máquinas de beneficiamento, etc; ajuste-os à carga, utilizando de preferência motores de alto rendimento. As transmissões e os acoplamentos constituem elementos de perdas de rendimentos (quanto menor a eficiência do acoplamento, menor será a potência à máquina acionada); portanto, opte por acoplamento direto (relação de velocidade 1:1) e, na impossibilidade, verifique nos acoplamentos o paralelismo, o alinhamento e a tensão dos elementos de transmissão; opere os equipamentos na capacidade de carga para o qual foram dimensionados, como já mencionado. Elabore um plano de manutenção preventiva dos equipamentos e execute-o segundo recomendação do fabricante; utilize o período de entressafra para limpeza e manutenção preventiva dos equipamentos (a vida útil e o consumo de energia dos equipamentos dependem do seu estado de conservação). Nos armazéns convencionais, ligue somente as lâmpadas necessárias às áreas de trabalho. Aproveite a iluminação natural, utilizando uma porcentagem da 203

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cobertura do armazém com telhas transparentes incolores (no caso de armazéns para café, utilize telhas transparentes que permitam boa iluminação, mas que filtrem os raios na faixa do violeta, prejudiciais à qualidade do café beneficiado); utilize a iluminação localizada em pontos como painéis de controle, quadros de comandos, registros, escadas etc. (esta prática resulta numa melhor eficiência do que a iluminação colocada em teto do armazém). 10- Mantenha lâmpadas, refletores e lentes de luminárias limpas. 11- Dê preferência ao uso de lâmpadas fluorescentes, com reator eletrônico ou convencional de alto fator de potência, e com luminárias espelhadas na iluminação de áreas internas. 12- Na iluminação de grandes áreas externas, dê preferência ao uso de lâmpadas a vapor de sódio. 4. CONSUMO DE ENERGIA E EFICIÊNCIA DE SECAGEM Define-se consumo específico de energia como a quantidade de energia por unidade de massa necessária à remoção da água nos grãos. Em se tratando de secadores, esta energia provém do combustível para aquecimento do ar de secagem e da energia elétrica necessária ao acionamento dos ventiladores e transportadores de grãos. Considerando-se somente a energia gasta com óleo combustível (consumo de 287 kg.h-1, massa específica de 820 kg.m-3 e poder calorífico de 43.240 kJ.kg-1), o consumo específico de energia (CEE) na secagem de milho de 18 para 13 % b.u., em um secador que fornece 40 t/h de produto seco, pode ser determinado da seguinte forma: a) A quantidade de produto úmido correspondente àquela tonelada é determinada pela expressão: 100 − U f Pi = Pf eq.1 100 − U i em que Pi – peso inicial do produto úmido, kg; Pf – peso final do produto seco no teor de umidade final, kg; Ui – teor de umidade inicial, porcentagem base úmida; e Uf – teor de umidade final, porcentagem base úmida. b) Quarenta toneladas de produto seco correspondem a uma carga inicial de 100 − 13 Pi = 40.000 = 42.439 kg de produto úmido. 100 − 18

c) A quantidade de água removida durante a secagem será Pi – Pf ou 2.439 kg de água. d) O consumo específico de energia (CEE) é dado por
CEE = 204

consumo de combustível x poder calorífico água evaporada

eq. 2

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287kg.h −1 43.240kJ.kg −1 = 5.088 kJ.kg-1 −1 2.439kg.h Como nem toda energia entregue ao ar de secagem é utilizada na remoção da água dos grãos, parte do calor é então perdida na forma de calor sensível no ar de exaustão, no aquecimento dos grãos, por condução, irradiação e convecção no corpo do secador para o ambiente. A quantificação do consumo específico de energia e da eficiência de um secador é importante para a avaliação do manejo e desempenho deste equipamento. Se no exemplo anterior o conjunto secador/fornalha fosse 100% eficiente, o consumo de combustível por hora seria menor e a quantidade de energia gasta para a evaporação de um quilograma de água seria de um valor inferior a 5.088 kJ/kg. Considerando a energia necessária à evaporação da água na faixa de 18 para 13% b.u. como 2.500 kJ/kg, conclui-se que aproximadamente 50% da energia produzida pelo combustível não é aproveitada para a evaporação da água nos grãos. Para determinar as perdas e a eficiência de um secador, é necessário conhecer como se distribui o consumo de energia no sistema (ar, secador e grãos). A Tabela 1 ilustra a distribuição de consumo de energia em um secador de fluxo cruzado. Pela tabela tiram-se algumas diretrizes que podem ser utilizadas para reduzir o consumo específico de energia: a) Quando possível, utilizar fornalhas com aquecimento direto em lugar das que possuem trocador de calor ou de aquecimento indireto. b) Reciclar parte do ar de exaustão quando este estiver abaixo da umidade relativa de equilíbrio recomendada. c) Utilizar o calor sensível dos grãos quentes (por exemplo, na seca-aeração ou na secagem intermitente com períodos de repouso). d) Isolar, de forma econômica, os pontos de dissipação de calor pela fornalha, pelos dutos e pelo secador. CEE =
TABELA 1 – Distribuição do consumo específico de energia em um secador de fluxo cruzado

Consumo kJ/kg de água evaporada 754 100 301 603 754 2512

Uso da energia sob forma de calor Perdas pelo trocador e na tiragem dos gases Perdas no secador Perda por aquecimento dos grãos Perda pelo ar de exaustão nãosaturado Perda por calor sensível ar de exaustão saturado Energia necessária à vaporização da água

% do consumo total 15 2 6 12 15 50

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5024 Consumo total 100 4.1. Eficiência do Secador A eficiência de um secador é a razão entre a quantidade de energia necessária à remoção da água do grão e a energia total utilizada pelo secador. Ao se escolher um secador, deve-se comparar várias marcas, levando em consideração, além da qualidade do equipamento e idoneidade do fabricante, a eficiência do equipamento para uma mesma capacidade de secagem, o tipo de produto e o teor de umidade. O exemplo a seguir ilustra o cálculo da eficiência de um secador. Exemplo: Em um secador de fluxo cruzado, foram secados 9.180 kg de arroz do teor de umidade inicial de 19,5% para 13,1% b.u. Os resultados obtidos foram: a) Tempo de secagem: 7,0 horas. b) Consumo de lenha: 415 kg. c) Consumo de energia elétrica: 56,6 kWh ou 203.760 kJ. Considerando o poder calorífico da lenha de 8.958 kJ.kg-1 e o calor latente de vaporização de 2.500 kJ.kg-1 de água, determine a eficiência do secador. Solução a) Perda de peso devido à redução do teor de umidade (PQ):
PQ = Ui −U f 100 − U f x100
eq. 3

19,5 − 13,1 x100 = 7,36 % ou 676 kg 100 − 13,1 b) Consumo específico de energia: PQ = CEE = 203.760 kJ + 415 kg x 8.958 kJ.kg-1 676 kg de água

CEE = 5.800 kJ.kg-1 c) Eficiência do secador: η= 676 kg de água x 2.500 kJ.kg-1 de água_ x 100 203.760kJ+ (415kg x 8.958kJ.kg-1) η = 43 %

O rendimento e a potência requerida por um secador constituem parâmetros relevantes na análise do consumo de energia. A razão entre a potência elétrica total (ventiladores, transportadores, etc.) e a capacidade nominal expressa em t.h-1 representa a energia consumida por tonelada de produto (cv.h/t.). Estes parâmetros são de grande importância quando se deseja comparar diferentes tipos de secadores. Em alguns casos, quando não se conhece o consumo de combustível ou o consumo específico de energia, pode-se estimar a eficiência do secador por meio das

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temperaturas do ar de secagem, do ar de exaustão e do ar ambiente pela equação:
η(%) = Tas − Tae x100 Tas − Taa

eq. 4

em que Tas – temperatura do ar de secagem; Tae – temperatura do ar de exaustão; e Taa – temperatura do ar ambiente. Obs.: como a secagem é um processo dinâmico, o rendimento calculado varia com o decorrer da secagem. Exemplo: Determine o rendimento de um secador em que a temperatura média do ar na saída da fornalha foi de 120ºC e as temperaturas médias do ar ambiente e da exaustão, durante a secagem, foram, respectivamente, de 20ºC e 45ºC. Aplicando a equação anterior, tem-se 120 − 45 η= x100 120 − 20 η=75%
5. COMBUSTÃO, COMBUSTÍVEIS E FORNALHAS 5.1 Combustão Industrialmente, a conversão da biomassa em energia dá-se em fornalhas e queimadores. Dependendo da conveniência quanto à utilização, o calor gerado pela combustão pode ser transferido para um fluido e até mesmo para um material sólido. O processo de combustão consiste essencialmente na reação química entre o hidrogênio e o carbono, presente na biomassa ou no combustível fóssil, com o oxigênio proveniente, em geral, do ar atmosférico. Uma combustão eficiente é aquela em que todos os elementos combustíveis, resultantes do processo de queima, são transformados totalmente em dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e calor. A combustão, ou queima direta, pode ser definida como o processo de oxidação de um combustível sob uma combinação de fatores que ocorrem simultaneamente em uma reação química exotérmica. Para que ocorra a reação de oxidação, os seguintes fatores devem estar disponíveis simultaneamente: - combustível (lenha, gás natural, óleo combustível, etc.); - comburente (oxigênio); e - temperatura de ignição. 5.2. Combustíveis Combustíveis são substâncias ricas em carbono e hidrogênio que, ao reagirem quimicamente na presença de oxigênio, liberam CO2, água e energia sob a forma de calor. Alto poder calorífico deve ser a principal característica dos combustíveis e refere-

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se à quantidade de energia liberada durante a combustão completa de uma unidade de massa ou de volume de um combustível. Para os combustíveis sólidos, ele é expresso, geralmente, em kJ.kg-1, e para os combustíveis gasosos, em kJ.m-3. Quando na determinação do puder calorífico considera-se o calor latente de condensação da umidade presente no combustível, tem-se o poder calorífico superior (PCI); quando não é considerado, tem-se o poder calorífico inferior (PCI) do combustível. Os combustíveis, de acordo com o seu estado físico, podem ser classificados em sólidos, líquidos e gasosos e, quanto à origem, em naturais e derivados. Os combustíveis naturais são utilizados nas formas em que foram obtidos, como o gás natural e a lenha. Os derivados, ou secundários, são os combustíveis resultantes de um processo de preparação, como o carvão vegetal e os derivados de petróleo. Na Tabela 2 são apresentadas as composições químicas básicas dos combustíveis.
TABELA 2 - Composição química básica de alguns combustíveis

Elementos (%) Carbono Hidrogênio Oxigênio Enxofre Nitrogênio Cinza

Diesel 86,0 13,1 0,9 -

Carvão vegetal 74,5 3,0 17,0 0,5 1,0 4,0

Combustíveis Lenha seca Casca de Arroz 50,2 41,0 6,3 4,3 43,1 35,9 0,06 0,4 0,38 18,3

Sabugo de Milho 46,6 5,9 45,5 0,5 1,4

As substâncias comburentes são definidas como todas aquelas capazes de fornecer o oxigênio necessário à reação de oxidação do combustível, e, de maneira geral o oxigênio é proveniente do ar atmosférico (veja capítulo 3 – Princípios Básicos de Psicrometria). A temperatura de ignição corresponde à temperatura que a mistura combustível e comburente deve atingir para iniciar o processo de combustão e está relacionada com a pressão na qual a reação irá ocorrer, bem como com o tipo de combustível. Na Tabela 3 são apresentadas as temperaturas de ignição para alguns combustíveis. Além da temperatura de ignição, a reação de oxidação é função da turbulência do comburente e do tempo disponível para a combustão (tecnicamente chamado de três Ts: temperatura, turbulência e tempo). A disponibilidade desses elementos fundamentais está relacionada com a ocorrência da combustão da seguinte forma:
a) Disponibilidade de combustível e oxigênio: o combustível deve ser dosado de forma correta, contemplando um excesso de oxigênio para a ocorrência completa da combustão, sendo recomendado, para os combustíveis sólidos, líquidos e gasosos, respectivamente, os seguintes índices de excesso de oxigênio: 30 a 60%; 10 a 30%; e 5 a 20%. b) Contato do combustível com o oxigênio: o combustível e a fonte do comburente, durante o processo de combustão, devem ter maior contato, para facilitar as

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reações químicas de oxidação, sendo isso facilitado com a pulverização, desintegração e/ou aumentando a turbulência do comburente no interior da câmara de combustão. c) Disponibilidade de tempo e espaço: para uma perfeita e completa combustão, o processo deve dispor de espaço físico e tempo suficiente para a realização das reações químicas. d) Ocorrência da temperatura de ignição: a mistura combustível e a substância comburente devem ser aquecidas até atingirem a temperatura de ignição do combustível.
TABELA 3 - Temperatura de ignição de alguns combustíveis

Combustível
Carvão Mineral

Carvão Vegetal Lenha Seca Gás Metano Monóxido de Carbono GLP

Temperatura de Ignição( oC ) 400 – 500 340 – 400 300 650 650 500

5.3. Transformações Químicas Relacionadas com a Combustão Basicamente, o processo de combustão está relacionado à oxidação dos elementos químicos carbono, hidrogênio e enxofre presentes no combustível, com os dois primeiros elementos contribuindo em maior proporção na liberação de energia aproveitável. A combustão é dita completa quando, dentre os gases resultantes das reações químicas da combustão, não mais existirem compostos oxidáveis. Neste caso, o processo de combustão resulta em gás carbônico, água e calor. Caso contrário, a combustão é dita incompleta e resultará em gases ricos em monóxido de carbono. Na Tabela 4 são apresentadas as principais reações químicas envolvidas no processo de oxidação do combustível, bem como a energia envolvida nas reações. TABELA 4 - Reações químicas básicas que ocorrem durante a combustão

Combustível Combustão completa do carbono Combustão incompleta do carbono Combustão do hidrogênio Combustão do enxofre

Reação Química

Energia 8.100 kcal.kg-1 de C oxidado 2.436 kcal.kg-1 de C oxidado 33.900 kcal.kg-1 de H oxidado 2.210 kcal.kg-1 de S oxidado

C + O2 → CO2 C + ½ O2 → CO H2 + ½ O2 → H2O S + O2 → SO2

5.4. Ar Necessário à Combustão Para o dimensionamento de equipamentos utilizados na queima ou oxidação do combustível, para o controle da combustão e para o dimensionamento de equipamentos

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que utilizarão o calor gerado, torna-se necessário o conhecimento da taxa de alimentação do ar de combustão e das características dos gases gerados (composição, volume, temperatura, etc.). Como já mencionado, a combustão é sempre resultante de reações com o oxigênio, e para queimar 1,0 kg de combustível é necessária uma determinada quantidade oxigênio. De acordo com as equações de reação da combustão, a quantidade mínima de oxigênio, teoricamente, necessária para a combustão completa de determinado combustível é dada por 32 eq. 5 GO min = 12 gC + 8 gH 2 + gS − gO2 (kg de oxigênio/kg de combustível) em que g - massa do elemento no combustível, kg.

O oxigênio entra na composição do ar atmosférico na combustão numa proporção de 23%. Portanto, o peso mínimo de ar atmosférico teoricamente necessário à combustão será 100  8  G eq. 6 G AR min = 0,O min = 23  3 gC + 8 gH2 + gS − gO2  23   (kg de ar/kg de combustível) A quantidade de ar atmosférico mínima necessária à combustão completa de um combustível recebe o nome de “poder comburívoro” de um combustível. Como o nitrogênio não intervém nas reações, e sendo o ar atmosférico rico em oxigênio, o ar é o comburente mais usado, dada a sua disponibilidade a baixo custo. Para calcular o volume de ar atmosférico teoricamente necessário para que as reações de oxidações (Tabela 4) se processem produzindo queima completa do combustível, devese conhecer os pesos moleculares dos elementos e dos gases (Tabela 5).
TABELA 5 - Composição química do ar atmosférico seco

Substância
Nitrogênio

Fórmula Molecular N2 O2 Ar CO2 Ne (He,CH4, SO2, H2)

Oxigênio Argônio Dióxido de carbono Neônio Outros

Massa Molecular (kg/ kmol) 28,02 32,00 39,94 44,01 20,18 -

Volume ( % ) 78,08 20,94 0,93 0,03 0,001 0,001

A quantidade de oxigênio mínima em volume para a combustão completa de um combustível é dada por

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 g  C g H 2 gS − g O 2  VO min =  12 + 4 + 32 x 22,4     (m3 de oxigênio/kg de combustível)

eq. 7

Como a proporção em volume do oxigênio no ar atmosférico é de 21%, resulta em
  100  gC g H 2 gs − gO 2  VAR min 0,21 = 21  12 + 4 + 32 22,4     (m3 de ar/kg de combustível) =V
O min

eq. 8

ou seja,

V

AR min

=

G

100  8   g C + 8 g H + gS − g O  2 2 1,293 29,7  3  3 (m de ar/kg de combustível)
AR min

=

eq. 9

O exemplo a seguir ilustra a utilização da fórmula anterior no cálculo da quantidade teórica de ar necessária ao processo de combustão. Exemplo: Determine a quantidade de ar teórica necessária à combustão completa de 1 kg de lenha de seca, com base na composição química apresentada na Tabela 2. Solução: 100  8  VAR min = 29,7  3 0,502 + 8x 0,063 + 0 − 0,431   3 VAR min = 4,75 m de ar/kg de combustível
Estas equações se referem a um consumo de ar atmosférico teórico correspondendo a uma combustão ideal, na qual todas as partículas de combustível e oxigênio são aproveitadas. Tecnicamente, é impossível assegurar uma combustão completa apenas com o suprimento de ar estequiométrico. A granulometria do combustível ou seu estado de divisão, o sistema de injeção de ar atmosférico, o tempo de contato ar/combustível e o próprio equipamento de combustão intervêm no processo de queima, obrigando a introdução de um excesso de ar atmosférico. Uma vazão insuficiente de ar provocará combustão incompleta, com o aparecimento de monóxido de carbono (CO) e até mesmo fuligem nos produtos da combustão, reduzindo a eficiência da queima do combustível. Por outro lado, um excesso de ar muito elevado é igualmente indesejável, porque resfria a fornalha e arrasta para fora a energia térmica útil. Devido ao curto espaço de tempo em que o combustível e o ar comburente permanecem juntos, é necessário um excesso e íntimo contato de ar para que a combustão seja completa. Em outras palavras, o excesso de ar atmosférico (λ) na

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combustão significa fornecer mais comburente do que o necessário, teoricamente, para que as reações de oxidação sejam completas. O excesso de ar é calculado a partir da composição química do combustível e se dá em função de uma série de fatores, como: tipo de combustível, método de queima, temperatura a ser atingida na fornalha, etc. Combustíveis sólidos como a lenha são os que mais exigem excesso de ar, ou seja, entre 30 a 60% do valor do ar teórico. A quantidade de ar atmosférico necessária para a combustão completa do combustível, considerando o excesso de ar, pode ser calculada por a) em kg de ar / kg de combustível:

G AR = λ G AR min
b) em m3 de ar / kg de combustível

eq. 10

V

AR

= λ V AR min

eq. 11

A Tabela 6 apresenta os valores de referência recomendados para o excesso de ar (λ).
TABELA 6 - Valores de referência recomendados para excesso de ar para diferentes combustíveis

Combustível
Carvão britado

Dispositivo de Queima Grelhas rotativas com ar forçado Grelhas planas com ar natural Ciclone Fornalha inteiramente irradiada Queimador óleo de baixa pressão de ar Queimador de pulverização mecânica Queimador de pulverização mecânica com vapor auxiliar Grelha plana com ar natural Grelha plana com ar forçado Grelha inclinada Fornalha celular Queimador com registro

Carvão moído Carvão pulverizado Óleo combustível

Excesso de Ar (λ ) 1,15 a 1,50 1,50 a 1,65 1,10 a 1,20 1,15 a 1,20 1,30 a 1,40 1,20 a 1,25 1,05 a 1,15 1,40 a 1,50 1,30 a 1,35 1,40 a 1,50 1,25 a 1,30 1,05 a 1,10

Lenha Bagaço de cana Gás de refinaria

5.5. Fornalhas Fornalhas são dispositivos projetados para assegurar a queima completa do combustível, de modo eficiente e contínuo, em condições que permitam o aproveitamento da energia térmica liberada da combustão, obtendo-se maior rendimento térmico possível. O projeto de uma fornalha é baseado nos 3 Ts da combustão:

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temperatura, turbulência e tempo. O tamanho e a forma da fornalha dependem do tipo de combustível, do dispositivo usado para queimá-lo e da quantidade de energia a ser liberada num intervalo de tempo. Para que ocorra a combustão completa do combustível, deve-se buscar uma mistura ar-combustível homogênea, na dosagem ideal e no tempo correto. Com isso, obtém-se um aquecimento do combustível até a sua ignição auto-sustentável. As fornalhas podem ser classificadas, quanto à natureza dos combustíveis, em: - fornalhas para combustíveis sólidos (lenha, carvão vegetal, sabugo de milho, etc.); - fornalhas para combustíveis sólidos pulverizados (carvão em pó, casca de arroz, de café, etc.); - fornalhas para combustíveis líquidos (óleo diesel, óleo BPF, etc.); e - fornalhas para combustíveis gasosos (gás natural, gás GLP, etc.).
Clique para ver: vídeo 1 5.5.1. Fornalhas para combustíveis sólidos Há dois grupos principais de fornalhas para queima de combustíveis sólidos: o de fornalha de grelha e o de fornalha para combustível pulverizado ou fragmentado. Na maioria destas fornalhas existe um ventilador que insufla ou succiona o ar atmosférico, o qual fornece o oxigênio necessário à combustão do combustível. As fornalhas com grelha, além de necessitarem de maior espaço, são normalmente pesadas, caras e com potências crescentes de ventilador. Em razão dos diferentes parâmetros envolvidos no processo de combustão, há várias maneiras de construir fornalhas, variando segundo o tipo de combustível utilizado, as propriedades do combustível, a forma de aproveitamento do calor gerado na combustão, etc. As propriedades dos combustíveis que influenciam o processo de combustão são: a) Granulometria do combustível: a superfície específica do combustível (m2/kg) é variável conforme o tamanho das partículas e determinará a potência da combustão. b) Conteúdo de água: retarda o processo de combustão, pois parte da energia fornecida para que o processo seja auto-sustentável é utilizada para evaporar a água presente no combustível. c) Conteúdo de componentes voláteis: quanto mais elevado o teor de gases voláteis oxidáveis, mais rápido será o processo de combustão e mais uniforme a chama se apresentará. d) Conteúdo de cinzas: um teor elevado de cinzas presente no combustível contribuirá para atraso no processo de combustão e necessidade freqüente de limpeza do cinzeiro. As fornalhas destinadas à queima de combustíveis sólidos não-pulverizados, como a lenha (Figura 3), possuem os seguintes componentes: a) Câmara de combustão: espaço destinado ao processo de combustão propriamente dito, onde todos os compostos combustíveis devem ser oxidados, liberando energia térmica. O importante, em qualquer fornalha, é o dimensionamento correto da câmara de combustão, da área das grelhas e da

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b) c) d)

e)

abertura do ar primário, para se obter suficiente quantidade de oxigênio, bem como possibilitar uma mistura comburente-combustível eficiente com o máximo de aproveitamento do combustível e o mínimo de fumaça. Grelha: estrutura que mantém o combustível sólido suspenso durante o processo de combustão, enquanto o ar comburente circula por sua superfície. Cinzeiro: reservatório localizado abaixo da grelha, destinado a armazenar os restos da combustão ou cinzas. Entradas de ar: entradas reguláveis localizadas em pontos estratégicos no corpo da fornalha; são responsáveis pela passagem do ar comburente para o interior da fornalha e devem ser localizadas de tal forma que facilite a mistura comburente-combustível. Saídas dos gases: aberturas destinadas à saída dos gases resultantes da combustão do combustível e de parte do excesso de ar comburente que devem ser utilizados em diversas finalidades como fonte de energia térmica.

Quando se utiliza a lenha na forma de tora com grande diâmetro em uma fornalha, há necessidade de maior quantidade de ar. Assim, para facilitar a combustão, a lenha deve ter o seu tamanho reduzido. Como foi dito, a eficiência de combustão aumenta com o aumento da área superficial do combustível e com o contato oxigêniocombustível. As fornalhas de grelha destinadas à queima de lenha podem ser ainda classificadas, de acordo com o aproveitamento dos gases da combustão, em: fornalhas com aquecimento direto e fornalhas com trocador de calor ou de aquecimento indireto.

Figura 3 – Esquema básico de uma fornalha e seus componentes. 5.5.1.1. Fornalha com aquecimento direto Nas fornalhas com sistema de aquecimento direto, a energia térmica proveniente dos gases resultantes da combustão é utilizada diretamente, como por exemplo, para secagem de produtos agrícolas. A mistura de parte do gás comburente com os gases resultantes da combustão pode se tornar indesejável nos casos em que o processo de combustão é incompleto, gerando compostos contaminantes, como o monóxido de carbono e a fumaça. Com o aproveitamento direto da energia térmica dos gases da combustão, as fornalhas de fogo direto, quando sob combustão completa, apresentam maior rendimento. Entretanto, nestas fornalhas precisa ser acoplado um decantador tangencial ou ciclone, onde as partículas incandescentes, formadas principalmente de

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carbono, entram em movimento espiral e são separadas do fluxo gasoso pela ação da força centrífuga. As fornalhas de fogo direto podem ser classificadas, de acordo com o fluxo de gases provenientes da combustão, em fornalhas de fluxo ascendente e fornalha de fluxo descendente. No primeiro caso, a substância comburente entra na parte inferior da câmara de combustão, atravessa a grelha, entrando em contato com o combustível, e se mistura aos gases voláteis. Este movimento dos gases no interior da fornalha é na forma ascendente. No segundo caso, a substância comburente entra na parte superior da fornalha, entra em contato com o combustível, atravessa a grelha e, misturando-se com os gases voláteis, forma um fluxo descendente no interior da fornalha. Neste caso, a chama resultante da oxidação dos gases voláteis é formada sob a grelha. A câmara de combustão nas fornalhas de aquecimento direto confunde-se com a própria fornalha e pode ser dividida em três partes distintas. A primeira destina-se à carga, à ignição do combustível e à entrada do ar comburente. A segunda parte compreende o espaço onde se desenvolve a chama e onde se completa a combustão dos compostos voláteis. Finalmente, a terceira parte da fornalha tem a função de interligar a fornalha ao ciclone e de aumentar o tempo de permanência dos gases na fornalha.
Clique para ver: vídeo 1 5.5.1.2. Fornalha com aquecimento indireto Nas fornalhas com sistema de aquecimento indireto, a energia térmica dos gases provenientes da combustão é encaminhada a um trocador de calor, que tem a finalidade de aquecer uma segunda substância, como por exemplo, uma caldeira geradora de vapor. Neste tipo de sistema, há perda de energia térmica pela chaminé e para o sistema, resultando em uma menor eficiência quando comparado à fornalha de fogo direto. As fornalhas com aquecimento indireto destinam-se a produtos agrícolas que requerem temperatura controlada e não muito alta durante a secagem, como na secagem de sementes. Um tipo bastante interessante possui um trocador de calor do tipo tubo– carcaça, câmara de combustão e caldeira. O ar frio, ao entrar pelos tubos do trocador de calor, é aquecido pelo fluido circulante na carcaça do trocador de calor, até uma temperatura máxima determinada pelo equilíbrio com a temperatura de ebulição do fluido circulante. Além da grande durabilidade, a fornalha em questão apresenta como vantagem a não-contaminação do ar de secagem, mesmo quando a combustão é incompleta. Produtos que absorvem gosto de fumaça durante a secagem, como cacau e café, não são afetados. A Figura 4 mostra o esquema básico da fornalha com aquecimento indireto projetada e construída na UFV.

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Figura 4 – Detalhes de uma fornalha de aquecimento indireto com autocontrole de temperatura máxima. 5.5.2 Lenha como combustível A lenha foi o primeiro combustível utilizado pelo homem, sendo ainda de subsistência para grande parte da humanidade. Trata-se de um combustível barato, de fácil combustão, baixo teor de cinzas e que não exige mão-de-obra qualificada para sua exploração. Seu baixo teor de enxofre a torna propícia à utilização na secagem de alimentos. O desmatamento indiscriminado tem comprometido o uso deste recurso natural como fonte de energia mas, o reflorestamento, com fins energéticos, pode garantir o fornecimento deste combustível sem comprometer o meio ambiente. A lenha ocupa grande espaço ao ser armazenada e requer mão-de-obra para sua utilização e controle da queima em fornalhas. Sua massa específica varia de 250 a 450 kg.m-3, dependendo da espécie. Quanto menor seu teor de umidade, melhor a combustão e maior o seu poder calorífico (Tabela 7). A Tabela 8 mostra o poder calorífico inferior de algumas espécies de madeira. TABELA 7 – Poder calorífico inferior* da lenha em função do teor de umidade

*

Teor de umidade%b.u. 0 10 20 30 40 50 60
Não se distinguiu a espécie

Poder calorífico inferior (kJ/kg) 19.880 17.644 15.412 13.180 10.947 8.715 6.483

TABELA 8 – Poder calorífico inferior de algumas espécies de madeira

Espécie Eucalipto Pinho Cedro Cipestre Carvalho 216

PCI (kJ/kg) 19.228 20.482 18.066 21.443 19.500

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5.5.3. Carvão vegetal O carvão vegetal é obtido artificialmente em fornos através da carbonização da lenha, com uma eficiência de conversão de 50 a 55%. O carvão vegetal e a lenha são os melhores combustíveis para uso na secagem de produtos agrícolas no Brasil. Com o desenvolvimento e difusão de novas tecnologias para uso do carvão vegetal em fornalhas (Figura 5), seu uso vem aumentado paulatinamente para na secagem de produtos agrícolas, a exemplo da lenha. O poder calorífico do carvão vegetal está associado à temperatura de carbonização. A 400°C o poder calorífico inferior é de 7.416,9 kcal/kg. A densidade a granel varia em função da madeira que lhe deu origem, sendo um valor médio de 220 kg.m-3. A compactação de finos de carvão, por meio da utilização de ligantes, permite a obtenção de briquetes de elevado poder calorífico, que, quando usados em fornalhas do tipo apresentado na Figura 5, conferem a estas, elevada autonomia e combustão com um mínimo de cinzas.

Figura 5 - Fornalha a carvão vegetal com aquecimento direto. Clique para ver: vídeo 1 vídeo 2

5.5.4. Resíduos agrícolas fragmentados O Brasil, devido a sua grande área territorial, apresenta grande potencial de recursos naturais que podem gerar energia para minimizar o suprimento de energia convencional. Apesar dos estudos sobre energias como eólica, solar e hidráulica, o melhoramento e desenvolvimento de processos eficientes para uso de resíduos industriais são altamente necessários, principalmente devido ao grande crescimento das atividades agrícolas nas últimas décadas. A disponibilidade de resíduos provenientes da industria madeireira, carvoaria, e do beneficiamento de produtos agrícolas como o café (palha pergaminho) e arroz são muito grandes. Do total de resíduos gerados pelas atividades agrícolas e industriais, aproximadamente 65% vem da industria madeireira (excluindo o uso direto da lenha para finalidades de aquecimento). Somente na industria madeireira, a produção de serragem pode alcançar 16% do total do volume da madeira original (Dutra e

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Nascimento 2006). No ano 2000, o Brasil produziu, segundo (IBPQ, 2002), 26 milhões de metros cúbicos de madeira serrada. Da produção do café, aproximadamente 21% são transformados em resíduos sólidos, ou seja, casca de café (casca integral e pergaminho puro), que possuem poder calorífico próximo dos 17.500 kJ kg-1. Na indústria de café solúvel, para cada tonelada do produto final produzido, são geradas 4,5 ton de borra, com teor de água de 80% b.u. que, após a secagem a 25% b.u., apresenta poder calorífico de 17.000 kJ kg-1. Este montante poderia suprir entre 60 e 80% a demanda de combustível da empresa de café solúvel que lhe deu origem (CEPEL, 2000). Apesar da grande quantidade de resíduos gerados no meio agrícola e agroindustrial, apenas uma pequena porcentagem é aproveitada em razão do desconhecimento do potencial energético e pela falta de equipamentos apropriados para sua utilização. Werther et al. (2000) destacam inúmeros outros problemas que afetam a utilização destes resíduos como fonte energética. Dentre os maiores problemas estão a dificuldade de transporte, os altos custos de investimentos em unidades geradoras, a disponibilidade de outros combustíveis a preço competitivo e a alta demanda de mãode-obra. Todos os problemas citados podem inviabilizar o aproveitamento dos resíduos tanto em pequenas como em grandes unidades geradoras. No caso particular da palha do café, o seu uso para a recomposição da fertilidade do solo é, econômica e ambientalmente mais importante do que o uso como fonte energética. Outros pontos importantes que influenciam no projeto de equipamentos para alimentação e combustão dos resíduos são: a baixa densidade, a alta umidade, o teor de voláteis e o baixo ponto de fusão das cinzas, que dificultam o desenvolvimento de equipamentos eficientes. Diante das dificuldades mencionadas, o aproveitamento de resíduos para o suprimento de energia térmica em atividades agrícolas e, ou, agroindústrias que deram origem ao resíduo ou que, pelo menos, estejam próximas a pontos fornecedores, pode ser considerado uma boa opção, desde que o investimento em equipamentos, eficientes, atenda às condições econômicas e ambientais. A combustão direta da biomassa é a forma mais antiga de produzir aquecimento e vem sendo usada desde os primórdios da civilização como principal fonte energética. Ainda hoje, 97% da produção da bioenergia produzida no mundo, tem origem na combustão direta da biomassa. Apesar de que a pirólise e a gaseificação têm sido, intensamente, pesquisadas, elas não são, certamente, as opções mais importantes no presente (Demirbas, 2003). Comumente, as fornalhas destinadas à queima de combustíveis sólidos particulados, devem possuir, além dos componentes essenciais a todas as fornalhas, depósito de combustível e sistema de alimentação e distribuição. A queima em suspensão é a forma mais comum quando se trata de biomassa particulada. Porém, para este sistema é necessário que a biomassa tenha dimensões reduzidas (< 2 mm) e baixo teor de água inferior a 15% b.u. e, para cascas, em geral, o diâmetro de até seis milímetros é suficiente para uma boa queima. 218

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Segundo Lora e Happ (1997) a queima em suspensão total visa grandes unidades de produção. Apresentam custos elevados e são inviáveis em pequenas unidades em razão da tecnologia empregada pelos sistemas de alimentação de ar e de combustível. Além disso, há a necessidade de transformação da biomassa em fragmentos de pequenas dimensões. Assim, a queima em suspensão em pequenas unidades, para o aproveitamento de resíduos agrícolas e agroindustriais, deve ser realizada por meio de equipamentos de alimentação e distribuição mais simples e que permitam trabalhar com biomassa na forma como ela é disponibilizada, ou seja, dimensões de partículas e teores de água acima dos recomendados. Para isso, as fornalhas devem possibilitar a queima em semi-suspensão, contendo, em sua estrutura, a grelha, pois apenas parte do material será queimado em suspensão e as partículas mais pesadas irão completar sua queima sobre a grelha. A função da grelha, além da sustentação do combustível com dimensões acima do ideal para queima em suspensão, tem, também, a função de manter uma chama piloto sobre ela, para iniciar e dar continuidade ao processo de queima, mantendo a temperatura necessária para a queima dos combustíveis sólidos fragmentados. Para tal função, a lenha é o material mais indicado no meio rural devido a

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