Operação de fornalhas em secadores cascata

Para a realização do processo de secagem artificial quase sempre é necessário aumentar o potencial de secagem do ar

Por Luís César da Silva

31/07/2008 14h51 · Fonte: Agais

Operação de fornalhas em secadores cascata

Para a realização do processo de secagem artificial quase sempre é necessário aumentar o potencial de secagem do ar

Por Luís César da Silva

31/07/2008 14h51 · Fonte: Agais

Para a realização do processo de secagem artificial quase sempre é necessário aumentar o potencial de secagem do ar. E isto é feito com o aumento da temperatura do ar. Para tanto, geralmente são empregadas as fornalhas.
As fornalhas devem ser dimensionadas para garantir a combustão completa dos combustíveis que são classificados em: (1) sólidos – lenha e carvão; (2) gasosos – gás natural e gás liquefeito de petróleo - GLP; e (3) líquidos – fuel oil, gasolina e óleo diesel.
Em função do tipo de combustível as fornalhas são tipificadas em: (i) fornalhas para combustíveis sólidos, (ii) fornalhas para combustíveis sólidos pulverizados, (iii) fornalhas para combustíveis líquidos e (iv) fornalhas para combustíveis gasosos.
Uma das características importantes dos combustíveis é o poder calorífico. Esta medida corresponde à quantidade de energia calorífica liberada na combustão, sendo expressa em quilocalorias liberadas por quilo do combustível queimado. Conforme mostrado na Tabela 1, por exemplo, ao ser queimado um quilo pinho são liberadas 3.300 quilocalorias.

Tabela 1 – Poder calorífico de alguns combustíveis
Combustível - Poder Calorífico (k Calorias / kg)

Cabreúna 4.115
Canelinha 4.010
Eucalipto 2.800 – 3.340
Figueira 3.390
Ipê 4.020
Jacarandá 3.780
Pinho 3.300
Óleo diesel 10.300
Gasolina 11.000
Álcool 6.214
Gás GLP 11.000
Fuel Oil 9.600
Carvão 4.400
Fonte: WEBER (2001)

Devido ao baixo custo de aquisição, a lenha é o combustível mais utilizado na secagem de grãos no Brasil. E esta, quando totalmente seca, 0% de umidade, possui a seguinte composição química: (i) 49% de carbono, (ii) 6% de hidrogênio, (iii) 38% de oxigênio e (iv) 2% de minerais - que é a porção convertida em cinzas.
No entanto, quando cortada, a lenha possui teor de umidade entre 40 a 55% e quando seca ao ar apresenta teores entre 20 a 25%. É certo afirmar que quanto menor é o teor de umidade da lenha, maior é o poder calorífico.
As principais vantagens do uso da lenha são: (i) menor custo por tonelada na produção de energia, isto no Brasil; (ii) emprego de mão-de-obra não qualificada, o que promove a fixação do homem no campo; (iii) fácil armazenagem a céu aberto; e (iv) a geração de baixos teores de cinza e enxofre. Além disto, é um combustível renovável.
As principias desvantagens são: (i) exigências ambientais que fazem requerer o uso racional, sendo então, necessário o planejamento do cultivo e exploração; (ii) fornecimento irregular; (iii) baixo poder calorífico; e (iv) difícil automatização das fornalhas.

1. Processo de Combustão
A combustão ou queima é uma reação química que permite produzir calor mediante a interação de três fatores: (i) combustível, (ii) oxigênio e (iii) a ocorrência da temperatura de ignição. Estes três fatores constituem o Triângulo do Fogo (Figura 1).

O combustível trata da matéria que irá liberar a energia calorífica. O oxigênio é fornecido pelo ar atmosférico. O ar normalmente em sua composição apresenta 20% de oxigênio. A temperatura de ignição corresponde o nível de temperatura que o combustível deve atingir para iniciar a queima. Para lenha, a temperatura de ignição é de aproximadamente 300 oC, enquanto que para o carvão é 350 oC e para gás GLP, 500 oC.
Na falta de um dos fatores do Triângulo do Fogo, a combustão não ocorre. Conhecendo este principio, o mesmo pode ser aplicado para o controle de incêndios. Pois, basta neste caso eliminar um dos fatores.

2. Componentes das Fornalhas a Lenha

As fornalhas devem ser dimensionadas para: (1) possibilitar o aquecimento do combustível para que seja atingida a temperatura de ignição de forma auto-sustentável, (2) promover a mistura do ar com o combustível a uma dosagem ideal, e (3) propiciar a retenção dos gases oriundos da queima do combustível por um intervalo tempo, de tal forma, a ocorrer à combustão completa. Isto porque estes gases ao sofrer combustão também liberam energia calorífica. Estes fatores constituem os 3Ts da combustão, que são: Temperatura do combustível, Tempo de execução e Turbulência do ar.

a) Temperatura do combustível: para que ocorra a combustão o combustível deve atingir a temperatura de ignição. Para lenha é a temperatura de 300 oC, se a temperatura for inferior, ocorrerá combustão incompleta, o que gera fumaça e carvão em excesso. Por outro lado, se a temperatura for muito superior a de ignição, ocorrerá à fusão do combustível.

b) Tempo de execução: o combustível e os gases voláteis gerados devem permanecer na fornalha por um intervalo de tempo necessário para que ocorra a combustão completa.

c) Turbulência ? o desenho da fornalha deve favorecer o movimento turbulento do ar. Assim, todo o combustível poderá ser envolvido pelo oxigênio presente no ar. Deste modo, a reação de combustão ocorrerá de forma ideal.

Nas Figuras 2 e 3 são representados esquematicamente dois modelos de fornalhas mais utilizados nas unidades armazenadoras brasileiras e suas partes são descritas a seguir:

Figura 2 – Fornalha para lenha com tiragem superior do ar aquecido (ANDRADE et al, 1996)

Figura 3 – Fornalha para lenha com tiragem inferior do ar aquecido (WEBER, 2001)

Câmara de combustão: É o espaço projetado para que ocorra a combustão da lenha e gases voláteis gerados. Conforme é demonstrado nas Figuras 2 e 3, normalmente, a câmara de combustão é dividida em três estágios. O primeiro estágio, que corresponde a 50% do volume da câmara, é utilizado para combustão da lenha. O segundo e terceiro estágios são utilizados para queima dos gases voláteis gerados no primeiro estágio. Cada um destes deve corresponder a 25% do volume da câmara. Estes dois estágios devem propiciar a circulação dos gases da combustão por três motivos: (1) permitir a retenção dos gases voláteis por um intervalo de tempo que possibilite a combustão completa; (2) eliminar fagulhas, e (3) quebrar as chamas. Na Tabela 2, são feitas indicações de volumes de câmaras de combustão conforme a capacidade de secagem de secadores cascata. Deste modo, por exemplo, a fornalha acoplada a um secador de 60 t/h deverá ter uma grelha com a área mínima de 6,92 m2 e o volume interno da câmara de combustão deverá ser de no mínimo 20,11 m3. Esta fornalha terá um consumo médio de 1.100 kg de lenha por hora, ou seja, 2,4 m3 de lenha por hora.

Tabela 3 – Área de grelha, volume da câmara de combustão e consumo de lenha em função da capacidade de secagem de secadores cascata.

Portas de carregamento: São aberturas na câmara de combustão empregadas para o abastecimento de lenha. É recomendado que estas sejam instaladas a cada um metro.

Grelha: É a grade metálica localizada na câmara de combustão com a função de manter a lenha suspensa. Isto facilita o envolvimento da lenha pelo ar. Na Tabela 3 são apresentados valores de áreas de grelha em função da capacidade horária de secagem de secadores tipo cascata. É recomendado que a profundidade da grelha não ultrapasse a 2 metros. Isto para facilitar a operação de abastecimento. No projeto de fornalhas, cada metro quadrado de grelha deve permitir a queima de 80 a 160 kg de lenha/hora.

Entradas de ar primário: São aberturas abaixo da linha da grelhas, situadas geralmente na parte frontal das fornalhas. Estas aberturas têm por função propiciar a entrada da vazão de ar (metros cúbicos/hora) necessária para combustão. Em modelos antigos de secadores, cerca de 10% do volume de ar sugado pelo sistema ventilação deve passar pelas entradas de ar primário, enquanto que para os novos modelos, cerca de 15%. Assim, por exemplo, em um secador de 40 t/h, cerca de 15.000 m3 de ar/h deve passar pelas entradas de ar primário. Geralmente a fornalha de um secador de 40 t/h, possui seis entradas de ar primário na dimensão de 0,40 x 0,40 m. Isto implica que a velocidade do ar por estas entradas deve ser em torno de 5 m/s. Esta velocidade pode ser medida por meio de um anemômetro, Figura 3.

Cinzeiros: São aberturas localizadas na parte inferior do corpo da fornalha que tem por objetivo proporcionar a limpeza dos resíduos da combustão. Estas aberturas devem ser mantidas fechadas durante o uso da fornalha. Geralmente, os usuários confundem a finalidade dos cinzeiros com as das aberturas de ar primário. Estas últimas devem ser mantidas abertas durante o uso da fornalha.

Figura 4 – Anemômetro (modelos Airflow) destinados à medição da velocidade do ar.

Misturador tangencial ou Ciclone: Esta estrutura tem por principal função misturar o ar proveniente da fornalha com o ar ambiente. Cerca de 35 a 45 % do ar sugado pelo sistema de ventilação do secador deverá passar pelas entradas de ar localizado no corpo do misturador tangencial. Pela operação da mistura dos fluxos devem ser alcançados os seguintes objetivos: (i) obter cerca de 40% do volume de ar aspirado pelo sistema de ventilação do secador, (ii) eliminar fagulhas que podem causar incêndios no secador, e (iii) remover partículas sólidas (cinzas) presentes no ar.

3. Cuidados na Operação de Fornalhas.

Conforme citado acima, em média cerca de 10 a 15 % da vazão do ar aspirada pelo sistema de ventilação dos secadores tipos cascata devem passar pelas entradas de ar primário. Deste modo, no caso, por exemplo, de um secador de 40 t/h, com reaproveitamento do ar da câmara de resfriamento, se for empregada à vazão de ar de secagem igual a 100 mil m3 de ar/h tem-se que: (i) 60% (60 mil m3 de ar/h) deve ser proveniente da câmara de resfriamento, e (ii) 40% (40 mil m3 de ar/h) do sistema fornalha mais misturadora tangencial (quebra chamas).
Dos 40 mil m3 de ar/h, 37,5% (15 mil m3 de ar/h) deve passar pelas estradas de ar sob grelha. Os outros 62,5% deve ser proveniente do ar ambiente que entra pelas aberturas situadas no corpo do misturador tangencial.
Desta forma, ao ser processado o balanço geral da vazão de ar secagem (100 mil m3 de ar/h), é tido em média que: (i) 60% deve ser proveniente da câmara de resfriamento, (ii) 25 % do misturador tangencial, e (iii) 15 % da fornalha. Observação: Estes valores podem variar em função da capacidade de secagem, marca do secador, modelo de fornalha e condições ambientes: temperatura e umidade relativa.
Estes dados servem para demonstrar a importância da regulagem adequada das aberturas das entradas de ar primário. Infelizmente, existe por parte de alguns operadores a preocupação exclusiva com a temperatura registrada pelo termômetro instalado na câmara de secagem. Para tanto, tratam de estrangular as estradas de ar pela fornalha e pelo misturador tangencial. Assim, facilmente é atingida a temperatura desejada. No entanto, o sistema de ventiladores não consegue sugar a vazão de ar necessária devido à resistência imposta ao fechar estas entradas de ar. Como conseqüência, o rendimento do secador é afetado negativamente.
O importante é atingir a temperatura do ar de secagem desejada, como também, propiciar vazão de ar demandada pelo secador conforme especificações dos fabricantes.

Como procedimentos complementares são citados abaixo mais alguns cuidados na operação de fornalhas:

1. Limpar periodicamente a estrutura metálica das grelhas. Isto desobstrui a passagem de ar que propicia o arrefecimento das grades metálicas, conseqüentemente ocorre o aumento da vida útil.

2. Distribuir a lenha uniformemente pela área da grelha. Isto garante melhor aproveitamento do combustível.

3. Abastecer a fornalha somente com a quantidade de lenha necessária. O abastecimento deve ser feito periodicamente, por exemplo, a cada 20 minutos. Com isto é evitado o desperdício, como também, o superaquecimento da grelha e demais estruturas da fornalha.

4. Remover freqüentemente cinzas acumuladas abaixo da grelha e demais seções da fornalha. Isto evita a emissão de fagulhas na câmara de secagem.

5. Manter fechadas as portas de abastecimento durante a operação. Caso contrário o fluxo de ar pela fornalha não seguirá os sentidos apresentados na Figura 2. Assim, o rendimento da fornalha estará comprometido.

6. Observar as características das cinzas abaixo da grelha. Se for detectado muito carvão é indicativo de falta de oxigênio para combustão. Desde modo, os registros das entradas de ar primário devem ser regulados para uma abertura maior.

7. Manter abertas e desobstruídas as entradas de ar primário, isto para garantir o volume de ar necessário para combustão.

8. Manter fechados os registros dos cinzeiros instalados no corpo da fornalha e no misturador tangencial. Caso contrário ocorrerá entrada de ar por locais não desejáveis e isto compromete a performance da fornalha.

9. Manter desobstruídas a área de circulação ao redor da fornalha. Motivos: (i) garantir entradas de ar pelas aberturas primárias, como também, (ii) possibilitar o arrefecimento da fornalha.

10. Parar de abastecer a fornalha instante antes de finalizar a secagem. Motivos: (i) economizar combustível; e (ii) promover o arrefecimento da fornalha o que aumentada a vida útil.

11. Limpar e fazer manutenção da fornalha nas entressafras. A limpeza visa eliminar o abrigo de roedores e outras pragas. A manutenção objetiva garantir o perfeito rendimento da fornalha o que representa economia de consumo e aumenta a vida útil.