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*

regigodoy@gmail.com Prof. Assistente Doutor, angel@fct.unesp.br Prof. Assistente Doutor, rainho@fct.unesp.br

* 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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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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.