A queima da casca de arroz sempre se dá em duas etapas, mesmo quando o processo de queima é muito rápido e a distinção da existência das duas etapas não seja tão evidente. Na primeira etapa, há a volatizaçâo de vários compostos orgânicos, que entram rapidamente em combustão na presença de oxigênio, gerando muito calor. Numa segunda etapa, acontece a queima do carbono fixo deixado na primeira etapa. Para a queima do carbono fixo, há necessidade de difusão do oxigênio do ar para dentro das partículas e, por isso, as taxas de combustão são bem menores que as primeiras. Em um determinado momento, quando já há bem menos carbono para ser consumido, a difusão começa a se tomar cada vez mais difícil e, se não houver isolamento térmico suficiente, as perdas de calor se tomam muito altas, o material se esfria e a combustão cessa. Isso pode acontecer mesmo em fornalhas de leito fluidizado, em que as partículas mais leves, por terem menos carbono, passam a flutuar numa posição muito acima do centro do leito, com temperaturas insuficientes para manter a combustão, e ainda pela pobreza em oxigênio do ar que antes passou pelo centro do leito.
Para a realização das experiências de produção de cinzas brancas a partir de casca crua e de cinza de cor cinza através da redução do teor de carbono de cinzas provenientes de leito fluidizado, foram feitas algumas modificações em uma fornalha já existente na UFSC, que foi construída para a realização de um extenso programa de pesquisa financiando pelo PADCT/MCT, e cujo relatório está disponível para consulta (PRUDÊNCIO JR. et al., 1999). As principais modificações feitas foram no sentido de mudar o modo de entrada de ar e saída dos gases queimados. A fornalha era feita em chapas de aço e isoladas termicamente do meio extemo por meio de tijolos refratários. A fornalha foi construída originalmente com duas câmaras separadas por uma parede de chapa de aço, mas para as experiências descritas aqui neste trabalho, pode-se considerar como se fosse uma fornalha de câmara única. A figura 19 mostra uma fotografia da fornalha de leito fixo para queima intermitente usada para os experimentos.
Figura 19 - Fotografia da fornalha de leito fixo usada para queima de casca de arroz
Baseado no trabalho de TUTSEK & BARTHA (1977), que afirma que o principal fator limitante para se conseguir cinzas brancas está na taxa de aquecimento da casca, e ainda inspirado no trabalho de SUGITA (1994), que construiu um aparato para queima de casca de arroz, que consiste na queima de um monte de palha a céu aberto com uma chaminé instalada no centro do monte, imaginou-se que este aparato de SUGITA (1994) conseguiria produzir cinzas brancas porque ele possibilita o aquecimento gradativo da casca antes dela entrar em combustão, como explicado por TUTSEK & BARTHA (1977).
A idéia então foi a de realizar experiências em que o fluxo de ar se desse de cima para baixo, parecido com a idéia de SUGITA (1994), mas com algumas diferenças fundamentais, entre elas a de poder ter um bom controle dos fluxos de ar e medição das temperaturas no leito. Deduziu-se que, fazendo o ar movimentar de cima para baixo, mas fazendo-se a ignição por baixo do leito, o ar rico em oxigênio só poderia participar de reações de combustão ao alcançar as regiões de altas temperaturas. Seria equivalente a um cigarro sendo soprado ao invés de aspirado. Aquecendo-se o fundo do leito de casca, inicia-se a produção e volatização dos compostos de fácil combustão, e quentes, ao encontrar com o ar rico em oxigênio vindo de cima, queimam e geram calor suficiente para pirolizar e volatizar mais compostos combustíveis, desta vez da região imediatamente acima da anterior, e assim por diante. Dessa forma, a camada de
combustão de gases vai queimando e caminhando para cima, deixando para trás a casca pirolizada, até chegar ao topo da massa de casca que toma-se totalmente pirolizada, isto é, sobram cinzas com muito carbono fixo, ou melhor, sobra carvão de casca de arroz. A figura 20 mostra um desenho esquematizado para explicar o que ocorre nesta primeira etapa da queima da casca que é denominada de pirólise.
--- 1 G R E L H A 7 G A S E S Q U E N T E S
Figura 20 - Primeira etapa da queima da casca de arroz em leito fixo quando o ar é injetado de cima para baixo
Quando a camada de combustão de gases chega ao topo, os voláteis, de muito fácil combustão, já foram totalmente queimados e então o oxigênio do ar passa a ser consumido pelo carbono fixo. Assim, numa segunda etapa da queima da casca de arroz, uma nova frente de combustão aparece para fazer a combustão de carbono fixo. Esta frente caminha de cima para baixo, deixando para trás cinzas puras, sem mais carbono por ser queimado. A figura 21 mostra um desenho esquematizado descrevendo esta etapa.
Nas experiências realizadas para o presente trabalho, ao invés do ar vir totalmente por cima, ele foi distribuído uniformemente por todo o leito através de vários tubos de aço furados que atravessavam horizontalmente a fornalha. Optou-se por fazer assim essas experiências para possibilitar uma queima mais rápida que a possível pelo aparato de SUGITA (1994), e também para poder limitar as temperaturas em 700 °C. Supôs-se que isto poderia ser realizado se a distribuição de ar fosse feita por todo o volume do leito porque, dessa forma, logo após a passagem da frente de combustão de voláteis, a combustão do carbono fixo poderia ser iniciada
C A S C A PIR O LISAD A (C A R B O N O FIXO) C A S C A C R U A jg â____ I F R E N T E D E H I C O M B U S T Ã O m D E V O L Á T E I S
em todo o volume da fornalha. É importante lembrar que o processo de combustão do carbono fixo tende a ser lento se for fixado um limite de temperatura. Então, realizar a combustão do carbono fixo por todo o volume pareceu ser uma solução atraente para elevar a produtividade. Na queima realizada pelo processo a céu aberto de SUGITA (1994), a queima leva 1 dia para pirólise e mais 2 dias para combustão do carbono fixo.
A R FRIO CIN ZAS C A S C A PIR O LISAD A (C A R B O N O FIXO) F R E N T E D E C O M B U S T Ã O D E C A R B O N O FIXO G R E L H A G A S E S Q U E N T E S
Figura 21 - Segunda etapa da queima da casca de arroz em leito fixo quando o ar é injetado de cima para baixo
A figura 22 mostra um desenho esquemático tipo corte vertical de uma câmara da fornalha, onde pode-se ver a posição dos tubos de injeção de ar I, II, III e IV de cada câmara, denominados E-I, E-II, E-III e E-IV para aqueles situados na câmara esquerda, e D-I, D-II, D-III e D-IV para aqueles da câmara direita. O desenho também mostra a posição dos termopares 1, 2, 3, 4 e 5 de cada câmara, utilizados para monitorar a elevação das temperaturas em diversos pontos da fornalha, que foram denominados e l, e2, e3, e4 e e5 para aqueles situados na câmara esquerda, e d l, d2, d3, d4 e d5 para aqueles da câmara direita.
O fluxo de ar era controlado através de válvulas de acionamento manual ligados a dois rotâmetros. Para que a temperatura nas câmaras não excedesse ao valor estipulado em cada experiência, também foram instaladas 2 válvulas automáticas de fechamento de fluxo ligadas aos termopares e2 e d2 respectivamente. A figura 23 mostra uma fotografia da mesa de controle com os rotâmetros, válvulas, seletor de termopares e termômetros digitais.
■TAMPA DE ALIMENTAÇÃO
Figura 22 - Corte vertical esquemático de uma câmara de combustão da fornalha