Fontes de Energia para Secagem de Café by Juarez De Sousa e Silva

ISSN 1518-9953

Engenharia na Agricultura BOLETIM TÉCNICO

FONTES DE ENERGIA PARA SECAGEM DE CAFÉ

N0. 03 – março - 2001

Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais Departamento de Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa Viçosa - MG

Engenharia na Agricultura Boletim Técnico no 03 ISSN 1518 - 9953

FONTES DE ENERGIA PARA SECAGEM DE CAFÉ

Roberto Precci Lopes1 José Cardoso Sobrinho2 Juarez de Sousa e Silva3 Jadir Nogueira da Silva4

Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais Universidade Federal de Viçosa – Departamento de Engenharia Agrícola

Viçosa – MG Março 2001

Prof. Assistente, M.Sc. UFRRJ/IT/DE, Seropédica – RJ. Precci@alunos.ufv.br Aluno de doutorado, M.Sc. UFV/DEA. Jcardoso@alunos.ufv.br 3 Prof. Associado, Ph.D. UFV/DEA. desousae@mail.ufv.br 4 Prof. titular, Ph.D. UFV/DEA. Jadir@mail.ufv.br 2

Todos os direitos são reservados à Revista Engenharia na Agricultura Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais Departamento de Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa E-mail : desousae@mail.ufv.br

Ilustrações: Prof. Juarez de Sousa e Silva Fotografias: Banco de fotos DECOMATEC

Ficha Catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e Classificação da Biblioteca Central da UFV

Fontes de energia para secagem de café / Roberto Precci F 683

2001

Lopes... [ e outros] – Viçosa: Associação dos Eng-

nheiros Agrícolas de Minas Gerais/UFV, DEA, 2001. 26P. : il. ( Engenharia na Agricultura. Boletim técnico; 3) ISSN 1518 – 9953 Inclui bibliografia 1. Café – Secagem – Consumo de energia. 2. Energia Fontes Alternativas. I. Lopes, Roberto Precci. II Cardoso Sobrinho, José. III. Silva, Juarez de Sousa e. IV. Silva, Jadir Nogueira da. V. Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais. VI. Universidade Federal de Viçosa. Departamento de Engenharia Agrícola. CDD 19. ed. 633.7386 CDD 20. ed. 633.7386

ÍNDICE INTRODUÇÃO .......................................................................... ................... 04 COMBUSTÍVEIS ...................................................................... ................... 05 COMBUSTÃO ........................................................................... ................... 13 FORNALHAS ........................................................................... ................... 16 RECOMENDAÇÕES PARA O USO CORRETO DE FORNALHAS ... 20 LITERATURA CONSULTADA............................................................ 24

1 - INTRODUÇÃO A utilização racional da energia na secagem de café e de outros produtos agrícolas pode contribuir substancialmente para a economia de combustível e, obviamente, para a redução dos custos de secagem. A disponibilidade de energia para a secagem constitui uma preocupação para o cafeicultor, quer devido à escassez dos recursos naturais utilizados como fontes de energia e, conseqüentemente, à alta de preços destes, quer devido ao aumento freqüente dos combustíveis derivados do petróleo. Têm-se observado, em algumas fazendas de café, fornalhas a lenha com elevado consumo de combustível, algumas em péssimo estado de conservação, mal dimensionadas e com excessiva perda de calor. A maioria destas fornalhas não dispõe de mecanismo de controle do processo de combustão, sendo, de modo geral, operadas inadequadamente. O manejo inadequado de fornalhas favorece a combustão incompleta, a contaminação do produto por resíduos da combustão presentes no ar de secagem e as dificuldades para a manutenção constante da temperatura do ar durante a secagem. Além desses aspectos, a lenha, quando de má qualidade e úmida, produz fumaça ao queimar, causando desconforto para o operador, e, dependendo do tipo de fornalha, pode deixar cheiro ou gosto no produto. O agricultor, insatisfeito com esta situação, em vez de procurar solucionar o problema adotando uma fornalha mais eficiente, usando lenha seca e cortada em pedaços uniformes, compatíveis com as dimensões da câmara de combustão, e adotar um programa para implantação de “Floresta energética” , procura a solução em outras fontes de energia, que num primeiro momento pode lhe parecer bastante cômodo, mas que no futuro pode vir a causar-lhe grandes aborrecimentos. Dessa forma, para se utilizar racionalmente a energia na secagem, deve-se conhecer muito bem as características dos combustíveis, os fatores que afetam a sua combustão, o equipamento (secador, fornalha e queimador) e a operação correta deste.

2 - COMBUSTÍVEIS

Combustíveis são substâncias ricas em carbono e hidrogênio que, ao queimarem, produzem energia sob a forma de calor. O poder calorífico é a principal característica dos combustíveis e refere-se à quantidade de energia liberada durante a combustão completa de uma unidade de massa ou de volume de um combustível. No caso dos combustíveis sólidos esta energia é expressa em kJ.kg-1 e, para os combustíveis gasosos, em kJ.m-3. O parâmetro de maior influência no poder calorífico dos combustíveis é o teor de umidade. A umidade aumenta a energia necessária à pré-ignição e diminui o calor liberado pela combustão. Os combustíveis utilizados como fonte de energia para secagem compreendem dois grupos: os fósseis e os provenientes da biomassa. Os combustíveis do primeiro grupo são esgotáveis e seus preços estão sujeitos às oscilações do mercado internacional; já os do segundo são provenientes de fontes renováveis de energia, as quais podem ser encontradas no próprio local de utilização, não dependendo de influências externas. Esta fonte, se racionalmente explorada, pode garantir, por muitos anos, o suprimento de energia para a secagem de produtos agrícolas. Principais combustíveis utilizados na secagem Lenha Os recursos florestais constituem a forma mais abundante de biomassa na terra. A madeira é utilizada como fonte de energia em vários países. No Brasil, a lenha, juntamente com o carvão vegetal, tem participação importante na Matriz Energética Brasileira, sendo responsável por 8,4% da oferta interna de energia. Com a proibição pelo Conselho Nacional do Petróleo (CNP), em janeiro de 1980, da utilização de derivados do petróleo na secagem de produtos agrícolas, os queimadores a gás ou a óleo diesel dos secadores tiveram que ser substituídos por fornalhas a lenha ou a resíduos agrícolas. O uso indiscriminado da lenha desde daquela época até os dias de hoje contribuiu para sua escassez e alta de preços. A utilização de lenha como fonte de energia para secagem, proveniente basicamente do consumo de reservas nativas, está em vias de encerramento. A partir da década de 60 ganha impulso a implementação de maçicos florestais, para produção de madeira e seus subprodutos de modo permanente. Essa transformação surgiu com a conscientização da esgotabilidade daqueles recursos. Uma das preocupações dos consumidores de lenha é a garantia de suprimento e a economia com sua utilização. A implantação de reflorestamentos surge como alternativa que, além de contribuir para a geração de empregos, possibilita a utilização de áreas impróprias para a agricultura. A produção de lenha na propriedade pode representar economia de até 30%, quando comparada com aquela adquirida de terceiros. A massa específica da lenha varia de 250 a 450 kg.m-3, dependendo da espécie. Quanto menor o seu teor de umidade, melhor a combustão e maior o seu poder 5

calorífico. O Tabela 1 mostra o poder calorífico inferior de algumas espécies de madeira. Tabela 1 – Poder calorífico inferior (PCI) de algumas espécies de madeira PCI (kJ.kg-1)

Espécie Eucalipto

19.228

Pinho

20.482

Cedro

18.066

Cipestre

21.443

Carvalho

19.500

Podem-se enumerar as seguintes vantagens e desvantagens do uso da lenha como fonte de energia no aquecimento do ar para a secagem de café: Vantagens • ainda é o combustível mais barato, tanto por tonelada quanto por unidade

de energia; • não exige mão-de-obra qualificada, gerando emprego e fixação do homem no campo; e • apresenta baixo teor de cinza e de enxofre nos gases de combustão. Desvantagens • exige mão-de-obra, o que contribui com os custos do produto final; • está sujeito a intenso burocrático por instituições como departamentos e

polícia florestal; • necessita de planejamento para a sua utilização; • devido ao grande volume que ocupa, fica, na maioria das vezes, armazenada a céu aberto (Figura 1); e • possui poder calorífico inferior ao dos combustíveis fósseis.

Figura 1 - Lenha de eucalipto armazenada a céu aberto. Resíduos agrícolas Os resíduos agrícolas provenientes de lavouras comerciais, se fossem utilizados como fontes de energia para a secagem, seriam mais do que suficientes para a secagem dos produtos que lhes deram origem. O calor produzido pela queima de um sabugo de milho seria suficiente para secar os grãos de duas ou três espigas. Aproximadamente 70% do total de sabugos produzidos em uma lavoura seria suficiente para a secagem dos grãos e do próprio sabugo. Quanto ao uso da palha de café como fonte de energia no aquecimento do ar para a secagem do café, deve-se levar em consideração o inconveniente de se estar eliminando um rico adubo orgânico para a lavoura (Figura 2). Contudo, dependendo da situação, o seu uso como vetor energético pode ser vantajoso. O Tabela 2 mostra a massa específica e o poder calorífico dos principais resíduos agrícolas encontrados.

Figura 2 - Palha de café sendo retirada para uso como fertilizante em lavoura de café. 7

Tabela 2 - Poder calorífico inferior de alguns resíduos orgânicos Resíduo

Casca de arroz Casca de amendoim Palha de trigo Sabugo de milho Palha de café Serragem de madeira Bagaço de cana-de-açúcar

Umidade (%b.u.)

Massa Específica (kg.m-3)

Poder Calorífico Inferior (kJ.kg-1)

12 12 20 13 13 40 50

140 150 160 220 250 300 150

12.977 12.977 13.395 17.598 15.488 8.372 7.535

No que se refere à composição e ao poder calorífico, os resíduos agrícolas são térmicos e quimicamente equivalentes à madeira, merecendo, por essa razão, toda a atenção no momento de sua utilização como combustível, mesmo apresentando energia menos concentrada. Se a região cafeicultora encontra-se próximo de zonas de exploração florestal, deve-se considerar a possibilidade de aproveitamento dos resíduos florestais decorrentes da exploração comercial das espécies consideradas como propícias; estes apresentam grande potencial de aproveitamento para fins energéticos. Estudos realizados no Pará desmonstraram que, para cada metro cúbico de madeira especial comercializada, há em média um volume de resíduo de oito metros cúbicos. Por fim, deve-se lembrar que os resíduos agrícolas e florestais geralmente são acompanhados de grande quantidade de terra. A utilização desses materiais em fornalhas pode ocasionar elevado teor de sílica nas cinzas, o que poderá ocasionar dificuldades operacionais. Carvão vegetal Embora não muito utilizado na secagem de produtos agrícolas, o carvão apresenta-se adequado à secagem de café, pelas seguintes razões: •

por ser um combustível derivado oriundo da pirólise da madeira, grande parte dos compostos fenólicos já foi eliminada durante o processo de carbonização; • seu poder calorífico é superior ao da lenha; • apresenta fácil manuseio e estocagem; • possui baixos teores de cinzas, finos e enxofre; • quando fragmentado, apresenta fluidez suficiente para utilização em alimentação contínua; e • quando produzido com madeira de boa qualidade, não apresenta fumaça e odor ao queimar. Apesar destas vantagens, o uso do carvão para a secagem de grãos tem sido pouco explorado, mesmo representando o carvão vegetal brasileiro um quarto da 8

produção mundial deste energético. Acredita-se que as principais razões para esse fato se devam ao processo usualmente adotado na produção do carvão, que, além de primitivo, demanda tempo e mão-de-obra; à pouca disponibilidade de tecnologia de baixo custo para a gaseificação do carvão vegetal em pequenas fornalhas; e ao desconhecimento das vantagens deste material como combustível para a secagem de produtos agrícolas no Brasil. Com o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de carvão vegetal in loco (forno contêiner), juntamente com a concepção de novas fornalhas para emprego deste combustível (Figura 3), deverá ser incrementado o uso deste energético na secagem de produtos agrícolas, tendo em vista seu elevado poder calorífico, boa qualidade do ar de secagem e a possibilidade de aproveitamento dos resíduos oriundos da própria lavoura de café (recepa) para produção de carvão.

Figura 3 – Fornalha a carvão vegetal desenvolvida na UFV/DEA. O poder calorífico do carvão vegetal está associado à temperatura de carbonização. À temperatura de carbonização de 400°C, o poder calorífico inferior é de 7.417 kcal.kg-1. A densidade a granel varia em função da madeira que lhe deu origem, apresentando valor médio de 220 kg.m-3. As madeiras mais duras fornecem carvões mais densos, que são naturalmente os melhores. Os carvões leves, porosos, não carbonizados completamente, ardem com chama luminosa, enquanto os pesados dão chamas curtas, apenas luminosas, e depois seguem ardendo ao ar sem chamas. Quanto maior a proporção de carbono do carvão, maior seu poder calorífico. O carvão, por ser muito friável, produz muitos finos, devido à sua quebra durante a produção, o transporte e o manuseio, chegando a 20% do total produzido. A compactação de finos de carvão através da utilização de ligantes permite a obtenção de briquetes de elevado poder calorífico, que, quando usados em fornalhas do tipo apresentado na Figura 3, conferem a estas elevada autonomia e combustão com máxima produção de energia.

Combustíveis fósseis Até meados da década de 70, o principal combustível utilizado na secagem de produtos agrícolas no Brasil era o óleo diesel. A rede organizada de distribuição e a facilidade de uso deste combustível, aliado ao baixo preço na época, incentivaram seu uso. Em 1977, a situação alterou-se: o gás natural e o óleo industrial (ou óleo pesado) eram aproximadamente 40% mais barato que o óleo diesel. O preço do gás liqüefeito de petróleo (GLP) se aproximou do preço do óleo diesel; apenas o propano era mais caro. Preço por preço, os combustíveis gasosos (gás natural ou butano liqüefeito) passaram a ter preferência na secagem de produtos agrícolas, pelo baixo teor de enxofre e por permitir o aquecimento direto do ar sem necessidade de trocadores de calor. Gás liqüefeito do petróleo (GLP) O gás liqüefeito de petróleo (GLP) e o gás natural constituem os dois tipos de combustíveis gasosos mais utilizados na geração de ar quente. O primeiro é uma mistura de propano e butano, com poder calorífico inferior (PCI) com cerca de 11.750 kcal.kg-1. É um gás mais caro que o natural e precisa ser transportado em depósitos até o local de consumo. Exige maiores cuidados e instalações mais complexas, por se encontrar sob alta pressão. O GLP é largamente conhecido como "gás de cozinha", devido à sua principal aplicação para cocção de alimentos, estimada em mais de 90% da demanda brasileira. A forma de comercialização mais comum do GLP é a de engarrafamento em botijões de 13 kg de gás. Estima-se que haja mais de 70 milhões de vasilhames deste tipo em circulação pelo País. Cilindros de 45 kg de gás também são largamente comercializados, principalmente para estabelecimentos comerciais, condomínios, clubes e restaurantes. Recipientes com capacidades diferentes também podem ser encontrados, mas em número menor. A comercialização de GLP a granel é feita diretamente aos distribuidores ou aos grandes consumidores, em caminhões e/ou vagões-tanque, dependendo do tipo de consumidor e da sua localização. O Governo Brasileiro, de acordo com a política social de apoio à população de baixa renda, subsidia o GLP para uso doméstico, transferindo parte dos custos para outros combustíveis, como a gasolina, o que favoreceu a disseminação deste combustível em todo o País, substituindo até mesmo, na zona rural, parte da lenha para cocção de alimentos. Recentemente, o GLP tem sido introduzido também como combustível na secagem de grãos. Por outro lado, preços baixos acarretam a utilização indevida deste combustível, como para aquecimento de banhos e piscinas ou como combustível para veículos e utilitários leves. Estas aplicações são ilegais e muitas vezes perigosas, devido às improvisações e à falta de regulamentação e qualidade dos equipamentos utilizados. O GLP, por ser um combustível derivado do petróleo e constituir uma fonte limpa de energia, deveria ter seu uso em atividades mais nobres, nas quais as demais fontes de energia não seriam capazes de promover a qualidade obtida com a queima 10

deste gás. Este aspecto é importante, pois existe limitação na quantidade de GLP produzida a partir da refinação do petróleo. Atualmente, com a gama de tipos de petróleo processados e as unidades em operação nas refinarias brasileiras, aproximadamente 9% do petróleo refinado é transformado em GLP. Em 1997, as unidades em operação nas refinarias, somadas com as UPGN (Unidades de Processamento de Gás Natural), produziram uma média mensal de cerca de 325.000 toneladas de GLP, o que fica muito aquém da demanda média brasileira, de aproximadamente 525.000 toneladas mensais. A diferença, em torno de 40% do consumo, é abastecida com a importação de GLP. Daí a importância da racionalização do uso deste combustível e de programas de planejamento integrado que englobem ações do ponto de vista do suprimento e do uso final desta energia. O gás natural, composto principalmente por metano, possui poder calorífico inferior entre 8.679 e 9.703 kcal.m-3. Seu uso é mais adequado quando o gás pode chegar encanado até o local de utilização, o que dificulta sua utilização em propriedades agrícolas. As principais vantagens do gás na secagem são: a) Não ocorre derramamento de combustível, dada a natureza de se tratar de gás, o que favorece a manutenção da área de serviço limpa e livre de contaminação. b) Não ocorre formação de carbono nos defletores geralmente instalados na saída dos queimadores de combustíveis líquidos, e nem ao longo dos condutos de ar quente, por ser a combustão completa. c) Não há formação de chispas e partículas incandescentes, elementos que favorecem o risco de incêndio em secadores. d) Não há deposição de partículas (fumaça, fuligem) sobre os grãos, o que resulta num produto sem impregnações e alterações. e) Demanda menor manutenção do sistema (troca de filtros, limpeza de bicos), pela ausência de partículas de carbono e por não requerer bombeamento de combustível. O fluxo de combustível ocorre por diferença de pressão. f) Há aumento da vida útil do equipamento, devido à ausência de enxofre nos gases de combustão, que é corrosivo e ataca as estruturas do secador. g) Não há obstrução dos condutos por onde circula o combustível. A automação do sistema é simples. h) Necessita de menor tempo para a colocação do secador em regime de operação. i) Possibilita ajuste fino na vazão de combustível, permitindo melhor controle da temperatura. j) Não requer grandes espaços para armazenamento do combustível. k) É de fácil transporte. l) Requer menor uso de mão-de-obra.

Estas vantagens têm atraído inúmeros produtores rurais para o gás, porém, para a maioria das propriedades rurais, o custo com o transporte, a garantia de fornecimento5 e a incerteza dos preços tornam esta opção altamente vulnerável. Por esta razão, a energia da biomassa, principalmente as provenientes de lenha, carvão vegetal e resíduos agrícolas, ainda constitui a opção energética mais indicada para os pequenos e médios cafeicultores brasileiros. Características de alguns combustíveis utilizados na secagem O Tabela 3 apresenta algumas características dos combustíveis mais comumente empregados como fonte de energia para secagem de produtos agrícolas. Esses dados, juntamente com o consumo dos combustíveis, são muito úteis na avaliação dos custos de secagem. Considerações sobre a escolha de combustíveis Combustíveis diferentes apresentam propriedades distintas. Na escolha de um combustível devem ser consideradas as vantagens e desvantagens de cada um e analisadas questões como quantidade de calor produzido, custo, segurança, condições de armazenamento e transporte, emissão de poluentes, disponibilidade de entrega, mão-de-obra para manipulação, influência sobre a qualidade do produto, equipamento necessário (queimador, tipo de fornalha), etc. Estes fatores poderão ou não sugerir que, embora determinado combustível seja mais caro que outro, a economia obtida pelas vantagens oferecidas compense seu uso. Pode levar também a resultados em que o custo da secagem seja comparável ao valor comercial do produto6, dificultando a comercialização deste. Nessa análise não se pode esquecer o contexto econômico e político, a tendência do mercado e a estabilidade da economia.

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Questionável, devido à dificuldade de acesso e estradas intransitáveis no caso de chuvas. Refere-se àqueles de menor valor comercial. 12

Tabela 3 – Características de alguns combustíveis utilizados na secagem de produtos agrícolas Poder Carbono Hidrogênio Enxofre Peso Específico -3 Calorífico (% peso) (% peso) (% peso) (kg.m ) Combustível Superior (kcal.kg-1) Óleo Diesel 852 10.750 85,8 13,4 0,51 Óleo Pesado 1.013 10.900 84,7 11,2 3,53 GLP 552 11.750 82,3 17,5 0,06 Gás Natural 0,81 9.256 75,0 25,0 --Carvão 250 6.800 82,7 3,8 --Vegetal Lenha 390 3.300 48,0 6,0 --CARDOSO SOBRINHO et al. (2000) analisaram o consumo específico de energia e o custo comparativo, considerando a utilização de GLP, lenha de eucalipto e palha de café como fontes de energia para o aquecimento do ar, durante a secagem do café (Coffea arabica L.). Estes autores empregaram secadores intermitentes de fluxos cruzados, com temperatura do ar de secagem igual a 60ºC (± 2ºC). Processaram café em coco, com teor de umidade inicial igual a 46% b.u. (±1%bu). A utilização de GLP foi a que mais onerou a secagem, cujo custo para a redução do teor de umidade de 46% para 13% b.u. foi de R$ 37,16 t-1. Os custos de secagem realizada com lenha de eucalipto e com palha de café foram de R$ 9,89 t-1 e R$ 2,54 t-1 de produto úmido, respectivamente. Concluiu-se que o emprego de diferentes fontes de energia para o aquecimento do ar de secagem não alterou a qualidade final do produto e que o uso de GLP, apesar de mais oneroso, resultou em menor consumo específico de energia, comparado ao uso de palha de café e lenha de eucalipto. 3 - COMBUSTÃO Para que os combustíveis possam ser utilizados racionalmente e com o máximo de aproveitamento, é conveniente que se entenda como ocorre a combustão. Todo processo de combustão deve atender a princípios fundamentais que assegurem economia ou eficiência na queima do combustível. A combustão é definida como um conjunto de reações químicas nas quais os elementos combustíveis se combinam com o oxigênio, liberando energia quando o combustível atinge a temperatura de ignição. Para que ocorra a combustão são necessários três elementos, os quais formam o chamado “triângulo da combustão” (Figura 4). Na ausência de um deles não há combustão. Uma boa combustão deve liberar toda a energia química contida no combustível e com um mínimo de perdas devido à combustão incompleta, seja por

falta ou excesso de ar, umidade do combustível, processo de turbulência e mistura inadequada do ar durante a operação, entre outros.

TEMPERATURA

OXIGÊNIO

COMBUSTÍVEL

Figura 4 – Triângulo do fogo. Para que a combustão ocorra eficientemente, são necessários: a) Temperatura igual ou superior à temperatura de ignição para iniciar e manter a queima do combustível. Há uma temperatura mínima que a fornalha deve propiciar para que ocorra a ignição do combustível. Para a madeira, por exemplo, este valor é de 300ºC, abaixo do qual a combustão não se realiza, mesmo que haja ar em quantidade suficiente (Tabela 4). b) Mistura ou turbulência adequada do ar com o combustível. É necessário que o comburente e o combustível sejam colocados em contato íntimo. Para isso, é preciso que o combustível sólido seja dividido convenientemente, e os combustíveis líquidos pulverizados. Isto, além de propiciar a combustão completa, conduz a projetos de fornalhas com dimensões reduzidas. c) Tempo e espaço suficientes para que ocorra a reação de combustão. É preciso um tempo para que todo o combustível na fornalha seja consumido e transformado em gases de combustão. Tabela 4 – Temperatura de ignição de alguns combustíveis Combustível

Temperatura de ignição, ºC

Carvão vegetal

340 a 400

Monóxido de carbono

640 a 655

Gás liquefeito do petróleo (GLP)

500

Madeira

300

Os três itens acima são conhecidos como os 3 Ts da combustão: temperatura, turbulência e tempo.

O ar fornecido para a combustão em quantidade suficiente para a queima completa de carbono, hidrogênio, enxofre e outros elementos presentes no combustível que possam oxidar é denominado “ar teórico”, o qual é calculado com base na análise elementar do combustível. Na prática, a quantidade de ar teórico não é suficiente para promover a combustão completa. A quantidade real de ar necessária é maior, sendo por isso denominada “excesso de ar”, e comumente expressa como uma porcentagem da quantidade do “ar teórico”. Para lenha, dependendo do tipo de fornalha, este valor situa-se entre 30 e 60%, e, para combustíveis gasosos, entre 5 e 20 %. O operador de fornalhas deve ter cuidado com os níveis de excesso de ar elevados, para que não provoque: - retardamento da reação de combustão; - redução na eficiência global do sistema de combustão; - arraste de partículas incandescentes ou não-queimadas; e - exigência de ventilador mais potente. Por outro lado, ar em quantidade inferior ao ar teórico necessário deve ser evitado, pois propicia a combustão incompleta - uma parte do carbono se une ao oxigênio para formar o monóxido de carbono7 (CO) e não o dióxido de carbono (CO2), levando ao aparecimento de fuligem nos gases de combustão. Considerações sobre a qualidade dos gases da combustão Independentemente do tipo de combustível, quando a combustão ocorre de forma incompleta, os gases oriundos passam a conter resíduos tóxicos prejudiciais ao café, ao meio ambiente e à saúde. Os compostos considerados preocupantes para aplicação direta destes gases na secagem de café são os óxidos de enxofre, os óxidos de nitrogênio, os hidrocarbonetos polinucleados, os pirolíticos condensados voláteis (fumaça), as partículas de carbono (fuligem) e a cinza, cujas concentrações dependem do tipo de combustível. Os óxidos de enxofre, em ambientes úmidos, formam compostos ácidos que podem resultar em problemas de corrosão dos equipamentos de secagem; quando emitidos para atmosfera, contribuem para formação de chuvas ácidas, e os óxidos de nitrogênio podem reagir com a proteína dos produtos agrícolas e produzir nitrosaminas, um elemento cancerígeno. Dessa forma, na impossibilidade de um controle eficaz da combustão que resulte num gás de secagem de qualidade, recomenda-se o uso de fornalhas dotadas de trocadores de calor.

O monóxido de carbono é um gás extremamente tóxico, que dificulta a capacidade da hemoglobina do sangue em carregar oxigênio. Por ser um gás incolor e inodoro, dificilmente percebe-se a sua presença. Portanto, é importante que, durante a queima de um combustível, este elemento seja totalmente extinto. 15

4 - FORNALHAS O conhecimento do princípio de funcionamento de fornalhas e a operação adequada destas são condições imprescindíveis para o uso racional da energia na secagem de produtos agrícolas. 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, com maior rendimento térmico possível. O projeto de uma fornalha deve ser baseado nos 3 Ts da combustão: temperatura, turbulência e 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. Comumente, as fornalhas destinadas à queima de combustíveis sólidos nãopulverizados, como lenha ou carvão vegetal em pedaços, possuem os seguintes componentes: 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 da grelha e da abertura de 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 as 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 forma que facilitem a mistura comburentecombustível. Saídas dos gases: aberturas destinadas à saída dos gases resultantes da combustão e de parte do excesso de ar comburente, a serem utilizados na secagem. Quanto à forma de aproveitamento dos gases de combustão, as fornalhas podem ser classificadas em fornalhas de aquecimento direto ou indireto. Fornalhas com aquecimento direto do ar de secagem (fogo direto) Nestas fornalhas, os gases resultantes da combustão são misturados com o ar ambiente e insuflados por um ventilador, diretamente na massa de grãos. 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 seja incompleto, gerando compostos contaminantes. Com o aproveitamento direto da energia térmica dos gases da combustão, as fornalhas de fogo direto, quando propiciam combustão completa, apresentam maior rendimento. Entretanto, estas fornalhas precisam de um decantador tangencial ou ciclone, para que as partículas incandescentes, formadas principalmente de carbono, entrem em movimento espiral e sejam 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 fornalha 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 seu interior. Neste caso, a chama resultante da oxidação dos gases voláteis é formada sob a grelha. A Figura 5 ilustra uma fornalha com este princípio. 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. Fornalha com aquecimento indireto do ar de secagem Nas fornalhas com sistema de aquecimento indireto, os gases provenientes da combustão são introduzidos num trocador de calor, que, em contato com o ar de secagem, o aquecerá. Neste tipo de fornalha há perdas de energia térmica pela chaminé e no trocador de calor, resultando em menor eficiência quando comparada 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 a secagem de sementes, café descascado ou despolpado. 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, por trabalhar com fluido térmico, a fornalha em questão apresenta como vantagem a não-contaminação do ar de secagem, mesmo quando a combustão é incompleta. Este aspecto é de especial atenção na secagem de café, pois este, quando 17

apresenta cheiro de fumaça, é aceito apenas para comercialização no mercado interno, sofrendo ainda uma depreciação da ordem de 15 a 20% no seu valor comercial. A Figura 6 apresenta uma fornalha com aquecimento indireto projetada e construída na UFV/DEA. As fornalhas dotadas de trocador de calor ar/ar apresentam menor durabilidade, devido à alta temperatura a que ficam submetidas as superfícies de troca. Com o tempo, são comuns o desgaste e a necessidade de reparo, para que não haja contaminação do produto por perfurações nos tubos do trocador. A Figura 7 apresenta uma fornalha de fogo indireto ar/ar, muito comum na secagem de café. Recentemente, têm-se introduzido na secagem de café caldeiras a vapor para aquecimento do ar de secagem (Figura 8). Pesquisas têm mostrado que, em algumas fazendas, o consumo de lenha nesta modalidade de secagem é 50% inferior ao verificado nos secadores convencionais, a mão-de-obra é menor e não há riscos de incêndio na massa de grãos (NOGUEIRA e FIORAVANTE, 1987). Embora seja uma tecnologia disponível e que resulta em produto de boa qualidade, é acessível somente aos grandes cafeicultores. O elevado custo de implantação e o grande volume de café exigido restringem o uso desta tecnologia a pequenos e médios produtores. O desinteresse das grandes indústrias em desenvolver sistemas de pequeno porte, compatíveis com o volume de produção dos pequenos cafeicultores, é patente, por requerer modelos que fogem à linha de produção, elevando os custos e inviabilizando o preço do produto. As indústrias de pequeno porte teriam melhores condições de atender a este segmento da cafeicultura. Necessário se faz o estudo da viabilidade técnica e econômica desta tecnologia, para uso em unidades de pequeno porte, a fim de que fabricantes de equipamentos e cafeicultores se sintam motivados a adotá-la. As fornalhas utilizadas na secagem de produtos agrícolas permitem apenas uma opção para o aquecimento do ar, cuja preferência se dá pelo aquecimento indireto, por possibilitar a secagem com qualidade do café em casca ou descascado. Entretanto, quando em casca, esta forma de aquecimento apresenta-se ineficiente, sob o ponto de vista da utilização racional da energia. Neste sentido, os projetos modernos de aquecimento de ar que utilizam vapor devem incorporar economizadores e/ou pré-aquecedores de ar, cujos benefícios resultam em economia de combustível e aumento de rendimento.

Figura 5 – Fornalha a lenha com aquecimento direto e fluxo de ar descendente CBP & D Café Consórcio Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento Núcleo: Colheita, Pós-colheita e Qualidade Visite o Site www.pos-colheita.com.br

Figura 6 – Fornalha de aquecimento indireto com autocontrole de temperatura.

Figura 7 – Vista frontal de uma fornalha a fogo indireto ar/ar.

Figura 8 – Linha de vapor e trocadores de calor ar/vapor empregados na secagem de café. A utilização de uma fornalha com opção para aquecimento direto ou indireto do ar de secagem, de acordo com o café a ser seco, que permita o controle do processo de combustão e incorpore meios de aproveitamento da entalpia dos gases de combustão está em estudo no Departamento de Engenharia Agrícola/UFV, e muito contribuirá para o uso racional da energia na secagem de café. 5 - RECOMENDAÇÕES PARA O USO CORRETO DE FORNALHAS 1) 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 o seu aproveitamento. Por esta razão, mantenha determinada quantidade de lenha protegida das chuvas. O teor de umidade da lenha deve ser inferior a 30%. 20

3) 4)

Na impossibilidade de abrigos para lenha, pode-se empilhá-la na forma de cones. As águas precipitadas sobre o monte escorrerão pela lateral do cone, encharcando apenas as lenhas superficiais. Evite a estocagem na forma apresentada na Figura 1. Alimente constantemente a fornalha. Evite que o fogo abaixe para alimentála de uma só vez com muita lenha. Este procedimento permitirá temperatura constante do ar de secagem e combustão contínua e regular da lenha. Padronize o tamanho da lenha quanto ao comprimento e ao diâmetro, pois isto facilitará a combustão e o melhor desempenho da fornalha. Evite arremessar a lenha para dentro da câmara de combustão, uma vez que isto pode provocar rachaduras e contribuir para a diminuição da vida útil da fornalha. Durante a alimentação da fornalha, naquelas a fogo indireto, a tiragem promove o ingresso 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 escotilha de carga da fornalha. Para se obter uma combustão eficiente e boa circulação dos gases, todos os componentes da fornalha como do secador devem ser limpos diariamente.

Para finalizar, com o objetivo de facilitar o estudo comparativo de diferentes fontes alternativas de energia para a secagem de café, é apresentado nos tabelas a seguir, como primeira aproximação, o consumo de diferentes tipos de combustíveis para várias vazões e temperatura do ar de secagem. De posse dos custos com combustível colocado na propriedade e do tempo de secagem, pode-se estimar a participação dos mesmos na secagem de café. O consumo de combustível para o aquecimento do ar de secagem pode ser determinado pela expressão: M c = 60.

ρ .Q.c p .(Ts − Ta ) η.PCI

em que, Mc – consumo de combustível, kg.h-1; ρ - massa específica do ar de secagem, kg.m-3; Q – vazão de ar, m3.min-1; cp – calor específico do ar de secagem, kJ.kg-1°C-1; Ts – temperatura do ar de secagem, °C; Ta – temperatura do ar ambiente, °C; η - rendimento da fornalha, decimal; PCI – poder calorífico inferior do combustível, kJ.kg-1.

Tabela 5 - Consumo horário8 (kg.h-1) de diferentes combustíveis para a temperatura do ar de secagem de 50ºC Combustível Vazão m3/min 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

GLP Fogo direto

Carvão Lenha Palha de café Fogo Fogo Fogo Fogo Fogo direto indiret direto direto indireto o η = η = 0,4 η = 0,85 η = 0,97 η = η = 0,85 0,88 0,3 2,72 31,07 10,96 4,73 19,51 9,18 3,17 36,25 12,79 5,51 22,76 10,71 3,69 41,43 14,62 6,30 26,02 12,24 4,08 46,61 16,45 7,09 29,27 13,77 4,53 51,79 18,28 7,88 32,52 15,30 4,99 56,97 20,11 8,67 35,77 16,83 5,44 62,15 21,93 9,46 39,03 18,36 5,89 67,33 23,76 10,25 42,28 19,89 6,35 72,51 25,59 11,03 45,53 21,42 6,80 77,69 27,42 11,82 48,79 22,96 7,25 82,87 29,25 12,61 52,04 24,49 7,71 88,05 31,07 13,40 55,29 26,02 8,16 93,23 32,90 14,19 58,54 27,55 8,61 98,41 34,73 14,98 61,80 29,08 9,07 103,59 36,56 15,77 65,05 30,61 9,52 108,77 38,39 16,55 68,30 32,14 9,98 113,95 40,22 17,34 71,55 33,67 10,43 119,13 42,04 18,13 74,81 35,20

Tabela 6 - Consumo horário (kg.h-1) de diferentes combustíveis para a temperatura do ar de secagem de 60ºC

Vazão m3/min 60 70 80

Combustível Lenha GLP Carvão Fogo Fogo Fogo Fogo direto indireto direto direto η = 0,97 η = 0,3 η = 0,85 η = 0,88 3,42 39,09 13,79 5,95 3,99 45,61 16,09 6,94 4,56 52,13 18,39 7,93

Palha de café Fogo Fogo direto indireto η = 0,4 η = 0,85 24,55 11,54 28,64 13,46 32,73 15,38

Os consumos apresentados variam de acordo com o equipamento, seu estado de conservação, o teor de umidade do combustível e as condições do ambiente. 22

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270

5,13 5,70 6,27 6,84 7,41 7,99 8,56 9,13 9,70 10,27 10,84 11,41 11,98 12,55 13,12 13,69 14,26 14,83 15,41

58,64 65,16 71,68 78,19 84,71 91,23 97,74 104,26 110,78 117,3 123,81 130,33 136,84 143,36 149,88 156,39 162,91 169,43 175,94

20,69 22,99 25,29 27,59 29,89 32,19 34,49 36,79 39,09 41,39 43,69 45,99 48,29 50,59 52,89 55,19 57,49 59,79 62,09

8,92 9,92 10,91 11,90 12,89 13,88 14,88 15,87 16,86 17,85 18,84 19,84 20,83 21,82 22,81 23,80 24,80 25,79 26,7

36,82 40,92 45,01 49,10 53,19 57,28 61,38 65,47 69,56 73,65 77,74 81,84 85,93 90,02 94,11 98,21 102,30 106,39 110,48

17,31 19,23 21,16 23,08 25,00 26,93 28,85 30,77 32,70 34,62 36,55 38,47 40,39 42,32 44,24 46,16 48,09 50,01 51,93

Tabela 7 - Consumo horário de diferentes combustíveis para a temperatura do ar de secagem de 70ºC

Vazão m3/min 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

GLP Fogo direto η = 0,97 4,09 4,77 5,45 6,13 6,81 7,50 8,18 8,86 9,54 10,22 10,91 11,59 12,27 12,95 13,63

Combustível Lenha Palha de café Carvão Fogo Fogo Fogo Fogo Fogo indireto direto direto indireto direto η = 0,85 η = 0,3 η = 0,85 η = 0,88 η = 0,4 46,71 16,48 7,11 29,33 13,80 54,50 19,23 8,29 34,22 16,10 62,23 21,98 9,48 39,11 18,40 70,07 24,73 10,66 44,00 20,70 77,86 27,48 11,85 48,89 23,00 85,65 30,23 13,03 53,78 25,31 93,43 32,97 14,22 58,67 27,61 101,22 35,72 15,41 63,56 29,91 109,01 38,47 16,59 68,45 32,21 116,79 41,22 17,78 73,34 34,51 124,58 43,97 18,96 78,23 36,81 132,37 46,71 20,15 83,12 39,11 140,15 49,46 21,33 88,01 41,41 147,94 52,21 22,52 92,90 43,71 155,73 54,96 23,70 97,79 46,01 23

210 220 230 240 250 260 270

14,32 15,00 15,68 16,36 17,04 17,73 18,41

163,51 171,30 179,09 186,87 194,66 202,45 210,23

57,71 60,46 63,20 65,95 68,70 71,45 74,20

24,89 26,07 27,26 28,44 29,63 30,82 32,00

102,68 107,57 112,46 117,34 122,23 127,12 132,01

48,32 50,62 52,92 55,22 57,52 59,82 62,12

6 - LITERATURA CONSULTADA AFONSO JÚNIOR, P.C.; OLIVEIRA FILHO, D. Estudo da viabilidade economica de produção de lenha de eucalipto (Eucalyptus sp) em área de lavoura para secagem de produtos agrícolas. XXVII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, Poços de Caldas, MG, UFLA/SBEA, 1998. p.354-356. ANDRADE, E.B. de., SASSERON, J.L., OLIVEIRA FILHO, D. Princípios sobre combustíveis, combustão e fornalhas. Viçosa: CENTREINAR, 1984. 40p. BAZZO, E. Geração de vapor. Florianópolis: ed. Da UFSC, 1995. 216 p. (Série didática) CARDOSO SOBRINHO J., SILVA. J.N. LACERDA FILHO A.F., SILVA, J.S. Viabilidade da secagem do café usando GLP, lenha de eucalipto e palha de café. CONBEA 2000, trabalho publicado na íntegra em CDROM. Fortaleza 4 a 7 de julho de 2000. CARIÓCA, J. O. B., ARORA, H. L. Biomassa – fundamentos e aplicaçãoes tecnológicas. Universidade Federal do Ceará, 1984. 644p. ESTRADA, M.R. El gas propano en el secado. Granos. Ano III, n° XII, Octubre, 1998. p.36-39p. MAGALHÃES, J.G.R. Tecnologia de obtenção da madeira. In: Uso da madeira para fins energéticos. Belo Horizonte, MG, Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais – CETEC, 1980. p.55-66. MATA, S.F. Gaseificação de carvão vegetal em gasogênio de sucção ascendente gás ar e de água. Campinas, SP, 1981, 73p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola), Universidade Estadual de Campinas. NOGUEIRA, V.S., FIORAVANTE, N. Teste comparativo de secagem do café entre o sistema de vapor e o sistema de fornalha. IN: Congresso Brasileiro de 24

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