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APROVEITAMENTO DA CINZA DO BAGAO DE CANA: BRIQUETES DE CARVO
SUGARCANE BAGASSE ASH UTILIZATION: CHARCOAL BRIQUETTES
Regiane Godoy de Lima.*, Angel Fidel Vilche Pea*, Silvio Rainho
Teixeira*
[email protected] Prof. Assistente Doutor, [email protected]
Prof. Assistente Doutor, [email protected]
* UNESP Faculdade de Cincias e Tecnologia Presidente
Prudente
Resumo Neste trabalho descrevem-se as tcnicas utilizadas para a
obteno de briquetes de carvo obtidos com cinza de bagao de cana de
uma usina de lcool e acar. A cinza que foi retirada da usina,
possui um alto contedo de materiais inorgnicos, principalmente
slica e xidos metlicos. Para conseguir altos contedos de carvo nos
briquetes, a cinza foi peneirada at 0,125 mm e depois, para tirar o
excesso de slica, passado por um filtro hidrociclone. Os briquetes
foram feitos utilizando amido de mandioca como aglutinante;
colocando 8% em peso; esta mistura, carvo e aglutinante so
colocados num molde cilndrico e aplicada uma presso de 5 Ton
durante 1 min. Aps secado com conveco natural. Alm da caracterizao
fsica, anlises trmicas TG e DTA foram realizadas para verificar
entre outros, a quantidades de cinzas obtidas na queima total do
briquete. At agora conseguimos briquetes que, quando queimados,
restam aproximadamente 17 % de material inorgnico.
Abstract This work, Sugarcane bagasse ash Reutilization:
charcoal briquettes, described the techniques used to obtain
charcoal briquettes obtained from sugarcane bagasse produced by a
sugar and alcohol industry. The ash has been removed from the
plant, has a high content of inorganic materials, especially silica
and metal oxides. To achieve briquettes with high charcoal contents
the ash was sieved to 0.125 mm and then to remove the silica
excess, the mixture was cleaning by a hydrocyclone filter. The
briquettes were made using cassava starch as binder, putting 8% by
weight; this mixture, coal and binder are placed in a cylindrical
mold and applied a pressure of 5 Ton for 1 min. After, it is dried
by natural convection. Besides the physical characterization,
thermal analysis TG and DTA were performed to verify, ash
quantities obtained from burning total briquette. So far we obtain
briquettes, which, when burned remain approximately 17% of
inorganic material.
INTRODUO
A proposta inicial deste trabalho a fabricao de Briquetes de
Carvo. A matria prima ser a cinza que resulta da queima do bagao da
cana de acar utilizada nas usinas de lcool; a fumaa resultante da
queima no pode ser expelida a travs das chamins por questes de
preservao ambiental, assim as usinas so obrigadas a utilizar um
lavador de gases que retira esta fuligem, rica em carvo e aps,
colocam-na em stios especficos. A idia central transformar esta
cinza do bagao de cana em briquetes, que podem ser utilizados na
prpria usina de lcool ou em outro tipo de indstria onde as
necessidades energticas sejam prementes.
O carvo vegetal pulverizado apresenta varias opes de
aproveitamento energtico. Ele pode ser queimado diretamente,
misturado com leo MOC (Mistura leo-carvo) ou na forma de pellets ou
briquetes [IPEF (1981, SBRT (2005), MI/LPF (1989)]. Neste projeto
ser estudada a forma de separar o p de carvo de um material
inorgnico e seu aproveitamento na produo de pellets e/ou
briquetes.
Estudo sobre pellets de carvo de capim elefante (SBRT, 2005),
indica que a densidade de pellets do carvo muito maior que a do
carvo e pode alcanar um poder calrico de 3 a 5 vezes por volume, em
relao ao carvo normal de eucalipto. Desta forma os pellets podem
ser usados industrialmente e em usos domsticos. Segundo os autores,
Brasil tem condies de consumir 3 milhes de toneladas anuais deste
tipo de carvo, fora o que poderia ser exportado. Em outro trabalho,
sobre briquetagem de carvo (MI/IBAMA/LPF, 1989) so mostradas vrias
vantagens dos briquetes em relao ao carvo comum. Mostra tambm que a
pesar do processo de briquetagem ser bastante conhecido no
exterior, no Brasil at 1988 este trabalho com carvo vegetal
resume-se em experincias e atividades pioneiras e isoladas de um
grupo de siderrgicas e pequenos produtores. A tcnica de briquetagem
de carvo vegetal envolve balanceamento granulomtrico, mistura
proporcional de
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aglomerante, compactao e secagem. Com a cinza de bagao de cana
(fly-ash) ser preciso separar os materiais (carvo/inorgnicos).
O maior problema de nossa cinza de bagao de cana o contedo de
impurezas, principalmente areia; para retir-la estamos utilizando
um hidrociclone que funciona como um filtro de gua, em nosso caso,
gua com cinza de bagao de cana. Aps circular pelo aparelho
esperamos que filtrasse a cinza a nveis que tornem o processo vivel
economicamente. Para verificar o sucesso do processo de limpeza,
amostras de carvo so retiradas do recipiente quando j passou pelo
hidrociclone. A amostra seca, pesada e colocada num calormetro para
fazer uma Anlise Termo diferencial (DTA) e Termogravimetria (TG),
que nos permite, alm de conhecer a entalpia da reao da cinza de
grelha saber tambm a quantidade de cinza que resta aps a queima
controlada at 800C.
MATERIAIS E MTODOS
A cinza do bagao de cana, material que estamos utilizando como
matria prima, um subproduto da queima do bagao de cana. Contm
impurezas naturais incorporadas durante o crescimento da planta e
que ainda subsistem aps as queimas, assim como impurezas externas,
incorporadas durante o processo de transporte e moagem. Para
conseguir fazer deste subproduto, um material comercialmente
utilizvel, deve-se conseguir retirar o mximo de impurezas da matria
prima inicial, para aps transform-lo num novo produto, o briquete,
de fcil manipulao e de interesse tambm para a prpria usina de
lcool. Assim sendo, devero ser aperfeioados mtodos de quantificao
das impurezas das cinzas retiradas da usina de lcool e tambm, as
cinzas residuais dos prprios briquetes, o produto final.
Uma mufla a 800 C permite aps alguns minutos queimar todo o
material orgnico presente numa amostra previamente pesada. Assim
por diferenas na pesada, podemos caracterizar a porcentagem de
impurezas inorgnicas presentes no material recolhido da usina de
lcool. Este mtodo foi tambm utilizado para estudar o contedo de
cinzas resultantes quando queimamos os briquetes fabricados com
este material.
No laboratrio esta a disposio um sistema de Termogravimetria
(TG) que alm de mostrar as perdas de massa em funo da temperatura,
faz uma Calorimetria Exploratria Diferencial (DSC) que nos permite,
alm de mostrar as entalpias envolvidas, conhecer a existncia ou no
de restos de lignina ainda presentes nas cinzas. A presena desta
lignina interfere na qualidade dos briquetes e sua queima se da em
torno a 320 C.
Para separar o p de carvo das impurezas foi montado um sistema
de hidrociclone funciona utilizando um fluxo de gua injetado por
uma bomba hidrulica. Se a gua tiver impurezas pesadas, estas sob a
ao da fora centrifuga provocada pela bomba centrifuga e a geometria
do aparelho so levadas a pontos distintos do aparelho,
conseguindo-se desta forma filtrar as impurezas da gua, deixando-a
apenas com partculas muito pequenas. Neste trabalho utilizamos um
Hidrociclone CD-25 da Darka de 250 mm de dimetro e sada de 1 com
vazo mnima de 14 m3/h, conectado a dois recipientes cilndricos de
150 litros numa disposio prxima utilizada industrialmente atravs de
uma bomba centrifuga de HP, como esta mostrado na Figura 1.
Figura 1. Imagens da montagem do filtro hidrociclone. Figure 1.
Photos showing the hydrocyclone filter sets.
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O recipiente 1 tinha a gua + carvo da usina que vai passar pelo
hidrociclone e o recipiente 2, recebia a gua com carvo aps passar
pelo filtro. Uma vlvula de retorno podiua ser ativada para colher
no recipiente 2 apenas a mistura em tempos pr-determinados,
permitindo um estudo da eficincia do filtro. Foi instalado tambm um
Medidor de Presso de gua e um sistema de vlvulas que permitem
controlar o fluxo de gua que entra no filtro assim como proteger a
bomba centrifuga.
Para estudar os tempos necessrios para a melhor utilizao do
Hidrociclone, a vlvula de acesso ao recipiente 2 foi fechada em 3
intervalos de tempo, 5, 10 e 20 minutos. Nesses tempos, uma amostra
da gua com carvo foi colhida no recipiente 2 e a vlvula fechada
novamente at o seguinte intervalo de tempo. Utilizando uma mufla a
800 C podamos verificar a eficincia na limpeza medindo a
porcentagem de cinza. O resultado deste estudo est mostrado na
figura 2.
Figura 2. Estudo do tempo de utilizao do hidrociclone na limpeza
da gua com carvo do bagao de cana de acar vinda da usina de
lcool.
Figure 2. Study of hydrocyclone efficience cleaning in water
with coal from sugar cane bagasse .
Como podemos ver existe uma diferena significativa do tempo de 5
min para o de 10 min, mas uma diferena menor para o tempo de 10 min
at o de 20 min, portanto passando os primeiros 5 min. No h tanta
diferena aps.
Para um a melhor utilizao deste filtro, houve necessidade de
estudar os parmetros do sistema e at, utilizar cinza que foi
peneirada at 0,125 mm.
Os briquetes foram feitos utilizando amido de mandioca como
aglutinante colocado numa proporo de 8% em peso e a mistura
aglutinante com p de carvo colocada num molde cilndrico para
aplicar uma presso de 5 ton.
A capacidade de empilhamento depender da carga mxima que os
briquetes consigam suportar; para determina-la utilizamos um grfico
fora deformao num sistema de compresso axial que se deslocava a 5
mm/min.
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RESULTADOS
A anlise TG no material de entrada esta mostrado na figura
3.
Figura 3. Anlise TG e DSC da cinza do bagao de cana como sado da
usina de lcool e acar. Figure 3. Sugar cane bagasse ash TG and DSC
analysis as left in the alcohol and sugar factory.
Como se pode apreciar da figura 3, aps 600 C, sobra
aproximadamente 62% de material inorgnico. Este material consiste
principalmente de quartzo, ferro e areia. Para retirar estes
resduos, utilizamos o mtodo de peneiramento, e os resultados esto
na figura 4.
Figura 4. Anlise TG e DSC da cinza do bagao de cana com areia
depois de peneirado a 0,125mm. Figure4. Sugar cane bagasse ash TG
and DSC analysis with sieved sand after the 0125mm.
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A curva TG da figura 4 indica que a maior parte da areia fina
foi retirada, alm disso, a curva DSC mostra um pequeno pico em 326C
que pode ser atribudo presena de lignina que no foi queimada
totalmente na caldeira da usina. Depois de peneirado o material foi
passado filtro Hidrociclone e o carvo resultante, utilizado para a
fabricao dos briquetes.
Os briquetes foram preparados utilizando amido de mandioca como
elemento aglutinante numa proporo de 8% em peso. Primeiro o carvo
era seco e pesado para determinar a quantidade de amido que
deveramos preparar. Este era preparado num fogo com uma pequena
quantidade de gua. Quando o amido formava a cola transparente, o
carvo era incorporado, juntando-os com uma esptula. Era necessrio
um tempo maior que cinco minutos para permitir a evaporao do
excedente de gua e para isso, a mistura era constantemente agitada
dentro do recipiente aquecido. Uma vez seco a mistura carvo + amido
era colocada num molde cilndrico e fechada com o pisto. O conjunto
era levado a uma prensa hidrulica onde se aplicava uma presso de 5
Ton. Aps, o briquete era retirado do molde e colocado a secar ao
Sol. A figura 5 mostra os briiquetes resultantes
Figura 5. Briquete de Carvo feito da cinza do bagao da cana de
acar. Figure 5. Charcoal briquette from bagasse of sugar cane
ash.
O briquete que deixamos 5 min. no hidrociclone foi preparado com
uma massa inicial de 23,632g de carvo e o aglutinante 1,8904g, aps
ser prensado a 5 ton. e seco por um dia, a massa do briquete foi de
25,514g e o seu volume de 28,27cm , portanto a densidade de
0,902g/cm, para verificar o material inorgnico restante do briquete
foi analisado por TG, como mostra a figura 6.
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Figura 6. Anlise TG do briquete preparado com carvo filtrado no
hidrociclone por 5 minutos. Figure 6. TG analysis of the briquette
prepared with charcoal filtered in hydrocyclone for 5 minutes.
Como observado na figura 6. restando aproximadamente 20% de
material inorgnico. A cinza do bagao da cana de acar que permaneceu
10 min no hidrociclone tambm foi preparada um briquete, com massa
inicial de 24,155g e o aglutinante a massa de 2,957g, depois de
prensado a 5 ton e seco, sua massa de 23,9606g e seu volume de
31,44cm portanto sua densidade de 0,762g/cm, para verificar o
material inorgnico restante foi analisado termicamente pelo TG e
DSC, mostrado na figura 7.
Figura 7. Anlise TG do Briquete que a cinza do bagao de acar
permaneceu 10 min no hidrociclone. Figure 7. TG analysis of the
Briquette ashes of bagasse of sugar remained 10 min in the
hydrocyclone.
Da figura 7. podemos dizer que aps a queima, restam
aproximadamente 22,09% de material inorgnico. Tambm foi feito um
briquete com o material que permaneceu por 20 min no filtro
hidrociclone, com massa inicial de 22,40g e o aglutinante de 1,792g
, aps prensado sua massa de 24,905g e o volume de
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28,42cm portanto a densidade de 0,87g/cm , analisando
termicamente como mostra a figura 8. Conclumos a quantidade de
material inorgnico restou foi de aproximadamente 17%.
Figura 8. Anlise TG do Briquete que a cinza do bagao de acar
permaneceu 20 min no hidrociclone. Figure 8. TG analysis of the
Briquette ashes of bagasse of sugar remained 20 min in the
hydrocyclone.
Para definir o nvel de empilhamento. Utilizamos uma maquina de
ensaios EMIC para determinar a carga mxima que nossos briquetes
suportam. O resultado esta mostrado na figura 9.
Fig. 9. Curva deformao fora num briquete de cinza de bagao de
cana. Fig. 9. Stress-deformation curve in a charcoal briquette.
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Como pode ser verificada, a carga mxima que o briquete suporta
maior que 3600 N, mais de que suficiente para maioria das aplicaes
prticas.
DISCUSSO E CONCLUSES
Para analisar a qualidade dos briquetes, utilizamos nesta
primeira parte, dois parmetros: densidade e quantidade de cinzas
inorgnicas, resultantes da queima deste as temperaturas prximas a
800 C. Quando o carvo no era limpo com o Hidrociclone, chegamos a
ter briquetes com densidade de 1,1 g/cm3. Aps a instalao do Filtro
Hidrociclone a densidade dos mesmos passou para a faixa de 0,76 a
0,9 g/cm3. e constatou-se uma significativa diminuio do material
inorgnico sendo de at 23,5%, e quando feita a briquetagem a
diminuio atingi aproximadamente 17% de material inorgnico, feito
isto em um tempo de 20 minutos. Acreditamos que os mtodos
utilizados garantes briquetes com menores cinza inorgnicas; que um
parmetro importante nas futuras aplicaes.
REFERNCIAS
Brito, J. A. & Nucci, O. 1984. Estudo Tecnolgico da Madeira
de Pinus spp para a produo de carvo vegetal e briquetaguem.
Instituto de Pesquisas e Estudos Florestais-IPEF, n 26, pp.
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www.fao.org//docrep/x5328e/x5328e0c.htm, maio 2006.
Fontes, P. J. P., Quirino, W. F. & Brito, J. O., 1984.
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Kibwage, J. K., Munywe, S. N., Mutonyi, J., Savala, C. N. &
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Perspectives and guidelines. Chapter 15: Recycling Waste into Fuel
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Sistema Brasileiro de Respostas Tcnicas, TECPAR, Resposta
Tcnica: Meio Ambiente, reciclagem, tratamento de resduos, abril de
2005.
Sistema Brasileiro de Respostas Tcnicas, TECPAR, Resposta
Tcnica: Produo de carvo. Marco de 2005.
Agradecimentos
Os autores agradecem o auxilio da Fundao para o Desenvolvimento
da UNESP, FUNDUNESP, necessrio para o desenvolvimento deste
projeto.