universidade de sÃo paulo escola de engenharia de...

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

ROBERTO DE ALMEIDA RODRIGUES

Potencial utilização de resíduos do processamento do café como combustíveis

visando seu emprego em fornos rotativos de calcinação

Lorena, 2015

ROBERTO DE ALMEIDA RODRIGUES

Potencial utilização de resíduos do processamento do café como combustíveis

visando seu emprego em fornos rotativos de calcinação

Monografia apresentada à Escola de

Engenharia de Lorena - Universidade de

São Paulo como requisito legal para a

conclusão de graduação no curso de

Engenharia Industrial Química.

Orientador: Professor Dr. Luís Fernando Figueiredo Faria

Lorena, 2015

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Rodrigues, Roberto de Almeida Potencial utilização de resíduos do processamentodo café como combustíveis visando seu emprego emfornos rotativos de calcinação / Roberto de AlmeidaRodrigues; orientador Luís Fernando Figueiredo Faria.- Lorena, 2015. 84 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaIndustrial Química - Escola de Engenharia de Lorenada Universidade de São Paulo. 2015Orientador: Luís Fernando Figueiredo Faria

1. Cal. 2. Combustão. 3. Casca de café. 4.Biomassa. I. Título. II. Faria, Luís FernandoFigueiredo, orient.

Dedico este trabalho aos meus pais

Hélio e Elen que sempre me

apoiaram e me impulsionaram na

realização dos meus sonhos.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, principal responsável pela realização deste

trabalho. Foi Ele que me concedeu o dom da vida e quem me guiou nessa

jornada, passando a frente de todas as minhas decisões.

Aos meus pais Hélio Veloso Rodrigues e Elen Maria de Almeida Rodrigues pelo

amor incondicional. Vocês foram meus primeiros e principais educadores, me

ensinaram a sonhar e nas adversidades da vida, me ensinaram a ter fé e

coragem.

Aos meus irmãos Luíza Almeida Rodrigues e Samuel Almeida Rodrigues pela

amizade, compreensão, convívio e toda ajuda recebida.

Ao meu orientador Prof. Dr. Luís Fernando Figueiredo Faria por acreditar no meu

potencial, pelo conhecimento transmitido, pela atenção, confiança e

disponibilidade. Obrigado por toda ajuda.

À Cláudia Santos Salim por toda ajuda, paciência e disponibilidade. Obrigado

pelas dicas, conselhos e por todo auxílio em minhas análises.

Ao Gustavo Ferroni Pereira que não mediu esforços para realização de algumas

análises essenciais para o trabalho.

À Indústria de Cal Cruzeiro LTDA pelo fornecimento de materiais e colaboração

com todas as informações necessárias.

Agradeço à Escola de Engenharia de Lorena – USP com todo seu corpo docente

e funcionários por me formarem Engenheiro Industrial Químico.

Enfim, deixo meu agradecimento especial a todos que contribuíram de alguma

maneira para conclusão deste trabalho.

RESUMO

RODRIGUES, R. A. Potencial utilização de resíduos do processamento do

café como combustíveis visando seu emprego em fornos rotativos de

calcinação. 2015. 84 f. Monografia (Trabalho de Graduação) – Escola de

Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.

A cal é um dos produtos mais antigos e mais importantes para a sociedade.

Suas características a tornam um produto altamente versátil com inúmeras

aplicações. Nesse contexto os produtores de cal precisam cada vez mais

melhorar seus processos para se manterem nesse mercado tão competitivo. Os

maiores custos nas empresas que possuem fornos rotativos de calcinação são os

combustíveis, responsáveis pela eficiência do processo. Atualmente, a maioria

das empresas brasileiras que possuem esse tipo de forno utiliza coque de

petróleo e moinha de carvão vegetal (finos de carvão vegetal oriundos das usinas

siderúrgicas) como fonte de calor. No apogeu do desenvolvimento sustentável, a

utilização de resíduos obtidos no processamento do café como combustíveis

poderia diversificar essa matriz energética, reduzir impactos ambientais, reduzir

custos e eventualmente melhorar o processo. O objetivo principal deste trabalho

foi analisar as propriedades físicas e químicas da casca de café, dos finos

residuais do beneficiamento do café e, como comparação, da moinha de carvão

vegetal, visando avaliar o potencial de aplicação dessas biomassas cafeeiras

como combustíveis em fornos rotativos de calcinação. Para isso foram realizadas

análises granulométrica, imediata, elementar, composição das cinzas,

termogravimétrica (TG/DTG) e econômica desses três combustíveis. Para

realização da análise econômica foram criados 22 cenários com misturas

combustíveis diferentes. Cinco cenários se mostraram vantajosos na utilização

dos resíduos do processamento do café nesse tipo de forno. Esses cenários

apresentaram vantagens como: aumento do poder de ignição do combustível,

maior sustentabilidade, redução do custo mensal de produção e, em alguns

casos, aumento da flexibilidade do processo.

ABSTRACT

RODRIGUES, R. A. Potential use of residues from coffee processing as fuels,

with the purpose of using it in rotary lime kilns. 2015. 84 p. Monograph –

Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.

Lime is one of the oldest and most important products for society. Its features

make it highly versatile and widely used. In this context, lime producers

increasingly need to improve their process allowing the company to survive in this

competitive business. In companies that have a rotary lime kiln, the higher costs

come from the fuels, which are responsible for the process efficiency. Nowadays,

most of Brazilian companies which have this kind of kiln use petcoke and charcoal

fines (fines of charcoal obtained from steel mill) as fuel. At the peak of sustainable

development, the use of residues from coffee processing as fuels can diversify the

energy matrix, reduce environmental impacts, reduce costs and possibly improve

the process. The main objective of this work was analyze the physical and

chemical properties of the coffee husks, “residual fines” from coffee processing

and, as comparison, charcoal fines in order to evaluate the application potential of

coffee biomass in rotary lime kilns. This work presented an experimental study,

which includes: particle size distribution, ultimate and proximate, ash composition,

thermogravimetric and economic analysis of these fuels. In this regard, 22

scenarios with different fuels composition were created. Five scenarios were

considered convenient for the use of residues from coffee processing in rotary lime

kilns. These scenarios presented advantages such as: higher ignition power, lower

ash contents, greater sustainability, reduction of monthly costs and, in some

cases, increased the flexibility of the process.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Segmentação do mercado brasileiro consumidor de cal em 2008. ...... 13 Figura 2 - Mapa da distribuição das lavouras em minas gerais (2014) ................. 15 Figura 3 – Forno rotativo tubular ........................................................................... 20 Figura 4 – Mecanismos de transferência de calor em forno rotativo . ................... 21 Figura 5 – Fluxos de carga e gases no interior do forno rotativo. ......................... 22 Figura 6– Unidade industrial de calcinação do calcário ........................................ 23 Figura 7 – Vista frontal de um combustor industrial .............................................. 27 Figura 8 - Desenho esquemático da posição da chama curta .............................. 27 Figura 9 - Desenho esquemático da posição da chama longa ............................. 28 Figura 10– Processos de conversão energética da biomassa .............................. 35 Figura 11 - Mapa de zoneamento da biomassa brasileira .................................... 37 Figura 12 - Fluxograma do processamento e beneficiamento do café .................. 41 Figura 13 - Casca de café moída (20 mesh) ......................................................... 44 Figura 14 – Finos residuais do beneficiamento do café ........................................ 45 Figura 15 - Moinha de carvão vegetal ................................................................... 45 Figura 16 - Analisador de umidade mettler toledo h843-s ..................................... 46 Figura 17 - Peneiras utilizadas na análise granulométrica .................................... 47 Figura 18 - Espectrômetro de fluorescência de raios x - Panalytical ..................... 49 Figura 19 - Analisador elementar perkin elmer 2400 ............................................ 50

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tipos de cal virgem de acordo com teor de CaO e MgO ..................... 12 Tabela 2 - lME para poluentes atmosféricos (base seca, 8% de O2) .................... 24 Tabela 3 - Principais países produtores de café (volume em mil sacas de 60 kg) 38 Tabela 4 - Café beneficiado (safra 2013) – produção e produtividade .................. 39 Tabela 5 - Análise de umidade.............................................................................. 53 Tabela 6 - Análise granulométrica da casca de café ............................................. 54 Tabela 7 - Análise granulométrica dos finos residuais do beneficiamento ............ 55 Tabela 8 - Análise granulométrica da moinha de carvão vegetal .......................... 56 Tabela 9 - Resultados de análise imediata de cada material ................................ 56 Tabela 10 - Análise química das cinzas (resultados expressos em porcentual em

massa de compostos, normalizados a 100%) ................................................ 58 Tabela 11 - Resultados obtidos a partir da relação de Pronobis ........................... 60 Tabela 12 - Dados obtidos da análise elementar .................................................. 60 Tabela 13 - Poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI) ........ 62 Tabela 14 - Temperaturas de ignição e temperaturas de pico dos combustíveis . 68 Tabela 15 - Preço líquido por tonelada de cada combustível ............................... 69 Tabela 16 - Cenários de composição de combustíveis ......................................... 70 Tabela 17 - Análise econômica ............................................................................. 71 Tabela 18 - Cenários que se mostraram viáveis ................................................... 73

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Curva de perda de massa da amostra de casca de café .................... 64 Gráfico 2 - Curva de perda de massa ds finos residuais do beneficiamento ........ 66 Gráfico 3 - Curva de perda de massa da moinha de carvão vegetal .................... 67

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 12

1.1. Objetivo geral .............................................................................................. 15

1.2. Objetivos específicos .................................................................................. 16

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 17

2.1. História ........................................................................................................ 17

2.2. Processo produtivo da cal ........................................................................... 17

2.3. Fornos de cal............................................................................................... 18

2.3.1. Impactos ambientais das indústrias de cal ........................................ 24

2.4. Combustão em fornos rotativos de calcinação ............................................ 26

2.4.1. Combustíveis utilizados na produção de cal ..................................... 29

2.4.2. Combustíveis utilizados em fornos rotativos ..................................... 31

2.5. Biomassa .................................................................................................... 34

2.5.1. Casca de Café ................................................................................... 38

2.5.2. Finos residuais do beneficiamento do café ....................................... 42

3. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................. 44

3.1. Materiais ...................................................................................................... 44

3.2. Procedimento .............................................................................................. 46

3.2.1. Caracterização das amostras ............................................................ 46

3.2.2. Análise Granulométrica ..................................................................... 47

3.2.3. Análise Imediata ................................................................................ 47

3.2.4. Análise Química das Cinzas .............................................................. 48

3.2.5. Análise Elementar ............................................................................. 49

3.2.6. Análise Termogravimétrica (TG/DTG) ............................................... 50

3.2.7. Poder calorífico.................................................................................. 51

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................... 53

4.1. Caracterização da amostra ......................................................................... 53

4.2. Análise granulométrica ................................................................................ 54

4.3. Análise Imediata .......................................................................................... 56

4.4. Análise Química das Cinzas........................................................................ 58

4.5. Análise Elementar ....................................................................................... 60

4.6. Determinação do Poder Calorífico .............................................................. 62

4.7. Análise Termogravimétrica .......................................................................... 63

4.8. Análise Econômica ...................................................................................... 68

5. CONCLUSÃO ................................................................................................ 75

6. SUGESTÃO PARA PRÓXIMOS TRABALHOS ............................................. 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 77

12

1. INTRODUÇÃO

Denomina-se cal o produto com elevado teor de óxido de cálcio obtido a

partir da decomposição térmica das rochas calcárias. As rochas calcárias são

compostas principalmente de carbonato de cálcio e magnésio. Dependendo do

tipo da rocha calcária utilizada no processo, a cal pode ser classificada em: cal

virgem calcítica, cal virgem dolomítica e cal virgem magnesiana. Esta

classificação está relacionada com sua composição, como mostrado na Tabela 1.

Tabela 1 - Tipos de cal virgem de acordo com teor de CaO e MgO.

CaO (%) MgO (%)

Cal virgem calcítica 90 – 100 0 - 5

Cal virgem magnesiana 65 – 90 5 – 12

Cal virgem dolomítica 58 – 65 >12

Fonte: Adaptado de Silva, 2009.

A cal é produzida em fornos a partir da decomposição térmica do calcário

em temperaturas que podem variar de 900ºC a 1200ºC (SILVA, 2009). Existem

pelo menos quatro modelos de fornos de cal e a qualidade do óxido depende do

tipo de forno.

Um tipo de forno muito utilizado é o forno rotativo. O princípio de

funcionamento deste forno consiste, segundo a Fundação Centro Tecnológico de

Minas Gerais (1984, p.20), “na movimentação da carga no interior do forno,

promovida pela rotação mecânica do mesmo, em sentido contrário ao

escoamento dos gases gerados pela queima de um combustível na extremidade

oposta a de carregamento”.

Esses combustíveis são injetados no forno através de um combustor. Por

esse combustor é injetado também parte do oxigênio necessário para a reação,

sendo a outra parte proveniente do sistema de resfriamento da cal chegando até

a câmara de combustão a uma temperatura elevada. O ideal é que o combustível

entre em combustão assim que ele sai do combustor. A temperatura do forno é

13

maior na região de queima e diminui ao longo do equipamento, sendo o fluxo de

calor contra corrente ao material. Os gases oriundos da decomposição da rocha

calcária e da queima do combustível juntamente com material particulado são

aspirados por um sistema de exaustão passando por filtros e sendo então

eliminados para atmosfera.

A estrutura da cal é formada por um arranjo submicroscópico de

elementos. Esse arranjo confere algumas propriedades químicas e físicas que

fazem da cal um dos produtos mais consumidos no mundo devido a sua

versatilidade e vasta aplicação. A segmentação do mercado brasileiro consumidor

de cal no ano de 2008 pode ser vista na Figura 1.

Figura 1 – Segmentação do mercado brasileiro consumidor de cal em 2008.

Fonte: Associação Brasileira dos Produtores de Cal, 2008.

Dentre as principais aplicações da cal, segundo a Associação Brasileira

dos Produtores de Cal (2008), podemos destacar:

Siderurgia: Aglomerante na pelotização do minério; escoriante na

sinterização e dessulfuração do gusa, protetor de revestimentos refratários

nos fornos de aciaria e lubrificante na trefilaria.

Metalurgia do alumínio: caustificação e recuperação da soda cáustica

utilizada no processamento da bauxita.

Processos químicos: Matéria prima básica na produção de carbonato de

cálcio precipitado (PCC), óxido de propileno, cloreto de cálcio, carbureto de

cálcio, hipoclorito de cálcio, dentre outros.

14

Tratamento de água: usada como alcalinizante.

Indústria alimentícia: Redução de acidez e clarificação do caldo de cana no

setor sucroalcooleiro; Redução de acidez e auxiliar para secagem do

bagaço de cítricos; fonte de cálcio em rações preparadas a partir do farelo

deste bagaço; redução de acidez na indústria de laticínios e utilizada na

produção do fosfato bicálcico.

Papel e celulose: Regeneração da soda cáustica e agente redutor de

acidez na produção de papéis alcalinos.

Construção civil: é utilizada na forma hidratada como componente no

preparo de argamassas e preparo de tintas de alta alvura.

Agricultura: Utilizada na recuperação de solos ácidos.

É possível perceber que a cal é um produto de grande importância para

outras indústrias de maneira geral. Dessa forma as empresas produtoras de cal

precisam cada vez mais garantir a qualidade do produto, melhorar os processos

de produção, promover a sustentabilidade e reduzir os custos de operação para

que se mantenham nesse mercado tão competitivo. Neste contexto, os

combustíveis representam nos dias de hoje um dos maiores custos nas empresas

de cal que possuem fornos rotativos.

Vale ressaltar que as condições operacionais da Indústria de Cal Cruzeiro,

localizada na região centro-oeste de Minas Gerais, foram adotadas nesse

trabalho. Os combustíveis utilizados nos fornos dessa empresa são coque verde

de petróleo e moinha de carvão vegetal. Uma diversificação dessa matriz

energética poderia ocasionar redução de custo, melhoria de processo além de

benefícios ao meio ambiente. Acredita-se que a utilização de biomassa cafeeira

nos fornos pode trazer algumas vantagens.

O que motivou a escolha dos resíduos do café é o fato de serem materiais

amplamente disponibilizados no Brasil, principalmente a casca de café. O estado

de Minas Gerais, onde está localizada a empresa, produz mais de 50% de toda a

safra brasileira de café (EMBRAPA, 2014). As regiões desse estado com maior

número de lavouras estão mostradas na Figura 2. Este material também possui

um grande potencial de utilização para fins energéticos já que devido ao seu

15

processamento é comercializado com um baixo teor de umidade se comparado a

outras biomassas.

Figura 2 - Mapa da distribuição das lavouras em Minas Gerais (2014).

Fonte: Companhia nacional de abastecimento – CONAB, 2014.

1.1. Objetivo geral

O objetivo principal deste trabalho foi analisar as propriedades físicas e

químicas da casca de café, dos finos residuais do beneficiamento do café e da

moinha de carvão vegetal como comparação, visando avaliar o potencial de

aplicação dessas biomassas cafeeiras como combustíveis em fornos rotativos de

calcinação.

16

1.2. Objetivos específicos

O objetivo geral foi obtido através dos seguintes objetivos específicos:

Preparar as amostras de casca de café, finos residuais do beneficiamento

do café e moinha de carvão vegetal e realizar análise de teor de umidade,

granulométrica, imediata, elementar, termogravimétrica e química das

cinzas.

Elaborar estudo comparativo visando à determinação empírica do poder

calorífico de cada combustível a partir de sua composição elementar.

Realizar análise econômica a partir de diferentes cenários propostos por

meio de variações nas misturas combustíveis.

17

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. História

O óxido de cálcio comercialmente conhecido como cal pode ser

considerado o produto manufaturado mais antigo da humanidade. Há registros

que em alguns trechos da muralha da China pode-se encontrar uma mistura bem

compactada de terra argilosa e cal. Muitos registros da utilização desse produto

datam de antes de Cristo (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS PRODUTORES DE

CAL, s.d).

Atualmente, a cal virgem e cal hidratada são produtos de grande

versatilidade estando entre os dez produtos de origem mineral, mais consumidos

no mundo. Estes produtos estão presentes, de forma direta ou indireta, em uma

infinidade de produtos e processos industriais (BAJAY; SANT’ANA, 2010).

Consequentemente, as indústrias de cal tem se tornado cada vez mais

dinâmicas, com novos métodos de produção, novos produtos e novas aplicações

sendo constantemente desenvolvidas a fim de abastecer com qualidade todo o

mercado consumidor (OATES, 1998, tradução nossa).

2.2. Processo produtivo da cal

O processo de produção de cal começa na exploração da rocha calcária.

Esse tipo de rocha é amplamente encontrado pelo mundo em depósitos que

variam no tamanho e na composição. Primeiramente são feitos estudos

geoquímicos e petrográficos do solo para identificação de rochas calcárias de

elevada pureza. A partir desses estudos, a mina é mapeada de acordo com sua

extensão, composição e impacto ambiental. Após o mapeamento, o proprietário

apresenta um projeto de exploração aos órgãos federais a fim de legalizar a

extração mineral. Assim que tudo estiver legalizado e dentro da legislação

ambiental, o terreno pode começar a ser explorado (SOARES, 2007).

18

Segundo a Associação Brasileira dos Produtores de Cal (s.d) as empresas

de cal podem ser divididas em quatro categorias:

Produtor integrado: Produz cal virgem e/ou cal hidratada através de

instalações industriais próprias, sejam fornos de calcinação, pulverizadores

e hidratadores, tendo como matéria prima a rocha calcária

necessariamente extraída de mina própria.

Produtor não integrado: Produz cal Virgem e/ou cal Hidratada por meio de

instalações industriais próprias, sejam fornos de calcinação, pulverizadores

e hidratadores, tendo como matéria prima a rocha calcária adquirida de

terceiros.

Transformador: Realiza a moagem de cal virgem e/ou produz cal Hidratada

a partir de cal virgem adquirida de terceiros, e utiliza pulverizadores e/ou

hidratadores próprios. Também é classificado como transformador o que

produz cal hidratada recuperada a partir do reprocessamento de

subprodutos industriais.

Produtor Cativo: Produz e emprega a cal para uso próprio. Normalmente

são as grandes indústrias siderúrgicas.

2.3. Fornos de cal

As reações químicas de decomposição térmica do carbonato de cálcio para

o calcário calcítico e dolomítico são:

→ + . → + +

O mecanismo de calcinação é complexo e envolve vários estágios. O calor

é absorvido pela reação química que ocorre na interface cal-calcário. O gás

carbônico gerado migra para superfície da partícula sendo então liberado

juntamente com os outros gases de combustão.

19

Em fornos de cal, variações na distribuição do calor, temperatura e tempo

de residência do material tornam o processo complicado (ULLMANN’S [...], 2011,

p.49, tradução nossa).

No início do processo, a rocha calcária é britada, classificada e então

encaminhada para o forno. Dos modelos de fornos que são utilizados nas

empresas atualmente, o mais antigo é denominado “Forno de Barranco”. Estes

fornos recebem este nome por estarem apoiados em uma encosta, possuem

aproximadamente quatro a cinco metros de altura e formato tronco cônico. O

combustível pode ser adicionado diretamente à carga ou queimado em fornalhas

laterais. Geralmente o consumo de combustível nesses fornos é muito alto

(GUIMARÃES, 1998).

Outro tipo de forno muito utilizado é denominado “Forno Vertical”. Forno

metálico, contínuo, cilíndrico, geralmente do modelo AZBE. Possui tiragem

forçada, controle termodinâmico, é revestido de refratário e isolante. As cargas e

descargas são automáticas, com recuperação parcial do calor perdido nos gases

e na cal virgem (GUIMARÃES, 1990).

Neste tipo de forno, o calcário é alimentado pela parte superior. Um tipo de

combustível muito usado é o gás gerado a partir da queima de lenha de eucalipto

em um gasogênio. A reação de calcinação vai ocorrendo na medida em que o

calcário desce pelo forno. Alguns desses fornos chegam a produzir até 350 t/dia

de cal.

A busca de economia de calor e de melhor reatividade para a cal virgem

conduziu ao aparecimento dos fornos de calcinação verticais de cubas múltiplas e

fluxos paralelos alimentados a óleo combustível. São fornos metálicos, contínuos,

com tiragem forçada e controle termodinâmico. Possuem seção circular ou

retangular, com revestimento interno refratário e isolante. As cargas e descargas

são automáticas, os fluxos dos gases e do ar de combustão são invertidos

alternadamente nas cubas e uma delas passa a funcionar como recuperadora de

calor (GUIMARÃES, 1990).

Desse tipo de forno, segundo Soares (2007, p.209), “o modelo mais

presente no parque industrial da cal são os da Maerz Ofenbau A. G., de Zurich,

Suiça e o de sua licenciada Kennedy Van Saun Corporation com capacidade

raramente excedendo 600 ton/dia”.

20

Em países como Estados Unidos, França e Alemanha os fornos Maerz são

os mais utilizados e geralmente possuem todo um sistema para reduzir os

impactos ambientais. Nesses países não é comum uso de fornos de barranco

devido ao impacto ambiental que eles geram (SILVA, 2009).

Outro importante modelo de forno que, segundo o Centro de Pesquisa e

Desenvolvimento (2007) , produz óxido de cálcio de maior qualidade é o forno

rotativo tubular. Neste tipo de forno a transferência de calor é maior e

consequentemente o custo com combustíveis que podem ser sólidos, líquidos ou

gasosos se torna maior também. Em compensação é capaz de produzir uma cal

de melhor qualidade com baixos teores de carbonato de cálcio (CaCO3) e enxofre

além de maior reatividade. A Figura 3 mostra um forno rotativo tubular.

Figura 3 – Forno Rotativo Tubular.

Fonte: Oates, 1998.

Esses fornos funcionam basicamente da seguinte forma: O calcário com

uma granulometria de 12,5 a 44,5 mm é alimentado no topo de um equipamento

denominado pré aquecedor. Na alimentação do forno ocorre o preaquecimento do

calcário e início da calcinação sendo o calcário aquecido por radiação proveniente

da queima do combustível e condução ao entrar em contato com o revestimento

21

do forno como mostra a Figura 4. A troca de calor por convecção é pouco

significativa uma vez que a “transferência de calor por convecção de gases

quentes para uma carga sólida (no caso as pedras de calcário) exige uma grande

superfície de troca” (FUNDAÇÃO CENTRO TECNOLÓGICO DE MINAS GERAIS,

1984, p.12).

Figura 4–Mecanismos de transferência de calor em forno rotativo.

Fonte: Fundação centro tecnológico de Minas Gerais, 1984.

Os gases gerados no processo fluem contracorrente ao calcário que está

entrando no processo visando maior transferência de calor como mostrado na

Figura 5. Esses gases quentes são conduzidos através da coluna de calcário

fazendo a troca de calor e pré calcinando aproximadamente 20% da superfície do

calcário no pré aquecedor (INDÚSTRIA DE CAL CRUZEIRO, 2012).

“Nesta seção, o calcário é aquecido por radiação, convecção dos gases

quentes de exaustão e condução pelas paredes do forno” (FUNDAÇÃO CENTRO

TECNOLÓGICO DE MINAS GERAIS, 1984, p.13).

22

Figura 5– Fluxos de carga e gases no interior do forno rotativo.

Fonte: Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais, 1984.

Após passar pelo pré aquecedor, o calcário é introduzido no forno. À

medida que o forno rotaciona, o calcário se move e a calcinação vai ocorrendo. O

produto que chega ao final do forno, na zona de queima, já é denominado cal.

A última etapa do processo consiste no resfriamento da cal que ocorre no

resfriador. O resfriador tem como objetivo resfriar a cal e recuperar o calor

proveniente do resfriamento. O sistema de resfriadores mais utilizado atualmente

é do tipo denominado (vertical), neste tipo de equipamento a cal quente é

descarregada por gravidade diretamente no resfriador. O ar ambiente é soprado

na base do resfriador entrando num sistema de distribuição de ar conhecido como

“chapéu chinês”, realizando o resfriamento por contato direto com a cal. Após

passar através do resfriador o ar quente é usado no forno para combustão

(INDÚSTRIA DE CAL CRUZEIRO, 2012).

Após resfriada, a cal virgem é armazenada e comercializada, podendo

passar também por um sistema de hidratação originando a cal hidratada, muito

utilizada na construção civil. O diagrama esquemático de um forno rotativo de cal

está representado na Figura 6.

Segundo Ullmann’s [...] (2011, p.54, tradução nossa), a eficiência térmica

do forno rotativo está relacionada principalmente:

Ao sistema de resfriamento que pré aquece o ar de combustão;

A disposição dos tijolos refratários que aumenta o tempo de permanência

do material na zona de queima, gerando maior transferência de calor;

23

Ao sistema de pré aquecimento que reaproveita o calor dos gases de

combustão para pré calcinar o calcário.

Figura 6– Unidade industrial de calcinação do calcário.

Fonte: Soares, 2007.

Uma complicação que pode ocorrer em fornos rotativos de calcinação é a

formação de incrustação nos tijolos refratários do forno (ULLMANN’S, 2011, p.54,

tradução nossa). Essa incrustação é chamada industrialmente de “colagem” e em

menor grau pode ser benéfica, uma vez que protege e aumenta a durabilidade do

tijolo refratário. Porém se não for feito um controle operacional correto, essa

colagem aumenta e diminui o volume útil do forno resultando em menor produção.

Outro problema relacionado à colagem é que ela acaba retendo o material por

mais tempo dentro do forno (supercalcinação), o que pode causar a sinterização

do material. A sinterização é a redução da área específica pela submissão a

elevadas temperaturas e maior tempo de calcinação. Esse fenômeno leva a

formação de cales duras que possuem elevada pureza, mas apresentam

dificuldade de hidratação (SOARES, 2007).

Essa incrustação é causada pela combinação de pó de cal, argila, cinzas

do combustível e sais de sódio e potássio. Isso pode ser um problema em fornos

com pré aquecedores e que utilizam carvão como combustível. Neste caso uma

24

menor granulometria de carvão bem selecionado pode minimizar essa formação

(ULLMANN’S, 2011, p.54, tradução nossa).

Outro problema que pode ocorrer em fornos com sistema de pré

aquecimento é que o contato entre os gases de combustão e o material

parcialmente calcinado, aumenta a absorção de dióxido de enxofre. Essa

absorção leva a formação de sulfato de cálcio que pode se incrustar no pré

aquecedor.

2.3.1. Impactos ambientais das indústrias de cal

O principal impacto ambiental causado pelo processamento do calcário é a

poluição atmosférica. Com leis ambientais cada vez mais rígidas e a necessidade

de preservar o meio ambiente, as empresas de cal precisam controlar seus

processos, tornando os cada vez mais sustentáveis. Segundo a deliberação

normativa 187 do COPAM (Conselho estadual de política ambiental) do estado de

Minas Gerais, os limites máximos de emissão permitidos em uma indústria de cal

são:

Tabela 2 - LME para poluentes atmosféricos (Base seca, 8% de O2).

Material Particulado

(mg/Nm³)

SOx

(mg/Nm³)

NOx

(mg/Nm³)

100 470 470

Fonte: Minas Gerais, 2013.

Para atender a legislação, as empresas que possuem fornos rotativos

precisam instalar filtros ao final do processo para reter este material particulado

que é composto principalmente de pó calcário, pó de cal e cinzas de combustível.

Os filtros mais utilizados são multiciclones, precipitadores eletrostáticos e filtro de

mangas (ULLMANN’S [...], 2011, p.62, tradução nossa).

A emissão de gases também é algo que precisa ser bem controlado. Na

legislação de cada país é especificado o limite máximo de emissão de dióxido de

25

enxofre, por exemplo. A cal consegue capturar e reter alta quantidade de enxofre

proveniente do calcário e do combustível. Porém na maioria dos fornos maior

parte do enxofre acaba saindo juntamente com os gases de exaustão

(ULLMANN’S, 2011, p.63, tradução nossa). As emissões de SOx variam de

0 a 10 kg/tcal dependendo do tipo de forno (JOHN; PUNHAGUI; CINCOTTO,

2014).

O gás carbônico (CO2) eliminado é proveniente da combustão e da

decomposição do calcário. Tem-se que o total de gás carbônico gerado, segundo

Silva (2009, p.16) é: “1131 kg CO2 por tonelada de cal virgem, dos quais 32%

originam-se da queima dos combustíveis”. No contexto de aquecimento global, a

quantidade de gás carbônico gerado no processo de produção de cal merece uma

atenção especial. Em indústrias cuja energia elétrica é proveniente da queima de

combustíveis fósseis, a quantidade de gás carbônico emitido se torna ainda

maior. É importante considerar que uma quantia razoável do dióxido de carbono

emitido é absorvida novamente na produção de carbonato de cálcio e nas

plantações de lenha e outras biomassas caso o forno utilize esses combustíveis

(OATES, 1998, p.392, tradução nossa).

A emissão de monóxido de carbono é um indicativo de combustão

ineficiente. Alguns modelos de forno operam com concentrações acima de 1%.

Até essa quantidade o monóxido de carbono não apresenta perigo ambiental,

porém qualquer vazamento na planta pode representar um perigo (OATES, 1998,


A concentração de óxidos de nitrogênio (NOx) nos gases de exaustão

reflete a temperatura na chama e/ou no forno. Esta emissão também precisa ser

controlada visando o atendimento as exigências da legislação do país e,

sobretudo a preservação do meio ambiente (OATES, 1998, p.390, tradução

nossa).

Outras substâncias como compostos orgânicos voláteis, dioxinas e furanos

ocorrem apenas em algumas circunstancias anormais e não há evidência de

emissões significativas de metais pesados (ULLMANN’S, 2011, p.63, tradução

nossa).

As unidades de produção, independentemente do tipo da cal produzida, do

processo de produção empregado e do combustível utilizado, deverão dispor de

plano de monitoramento de emissões atmosféricas. Os planos de monitoramento

26

devem contemplar o controle de produção do produto, com base em parâmetros

fixados em regulamento, referentes, no mínimo, a dioxinas, furanos e poluentes

gasosos à base de enxofre e nitrogênio.

A constante modernização do parque produtor de cal brasileiro e da

indústria no geral faz com que essas tecnologias passem por constantes

transformações em diversos sentidos, seja para melhorar a qualidade do produto

final, para aumentar a eficiência energética do processo, para diminuir os custos

de produção e/ou preservar o meio ambiente.

2.4. Combustão em fornos rotativos de calcinação

Um aspecto muito importante que precisa ser abordado separadamente é a

combustão nos fornos rotativos.

Segundo Abreu (s.d.) a combustão, industrialmente conceituada, é a parte

da tecnologia que estuda a queima de combustíveis. Este conceito deixa implícito

o aproveitamento econômico da energia calorífica produzida pelas reações de

oxidação das substâncias e/ou elementos formadores dos combustíveis.

O controle de combustão é extremamente importante, pois serve para

evitar a perda de calor e consequentemente de combustível, mantendo a

eficiência da queima. Porém é um assunto bastante complexo da tecnologia de

combustão. Inúmeras reações químicas em diferentes graus de intensidade, tanto

em fase gasosa como líquida e sólida, altas temperaturas, radiação térmica,

elevadas taxas de troca de calor e de massa e escoamento multifásico tornam

extremamente difíceis o controle desse processo.

O principal equipamento de combustão do forno é chamado de combustor.

É através desse equipamento que os combustíveis são injetados do forno

juntamente com parte do oxigênio (proveniente do ar) necessário para reação de

combustão. Na Figura 7 temos a vista frontal de um combustor utilizado

industrialmente na qual podemos ver os orifícios de saída de ar e combustível.

No processo de calcinação a posição da chama é muito importante, ela

deverá ser regulada de modo que a chama toque levemente o material sem tocar

no refratário, essa regulagem é feita através do controle do ar axial e radial.

27

Figura 7 - Vista frontal de um combustor industrial.

Fonte: A Tec Greco, [s.d].

Os fluxos de ar radiais dão uma chama de maior diâmetro e menor

comprimento, aquecendo mais a região da zona de queima, o que é melhor para

o processo. Quando se utiliza este tipo de chama, a tendência é que o forno

aqueça totalmente tendo em vista que o calor se propaga desde o começo do

forno até o final. Nessas condições a chama é considerada como chama curta

como é mostrado na Figura 8.

Figura 8 - Desenho esquemático da posição da chama curta.

Fonte: Indústria de Cal Cruzeiro, 2012.

Os fluxos de ar axiais dão uma chama de maior comprimento e menor

diâmetro, aquecendo mais a região do meio do forno até o final, o que não é bom

para o processo. Nessas condições a chama é considerada como chama longa

28

que é desfavorável ao princípio ideal da calcinação, pois ela se distancia da zona

de queima do forno como mostrado na Figura 9.

Figura 9 - Desenho esquemático da posição da chama longa.

Fonte: Indústria de Cal Cruzeiro, 2012.

A eficiência térmica de um calcinador industrial é definida como a energia

teórica requerida para a promoção da reação de calcinação dividida pela energia

real fornecida ao calcinador. As eficiências variam de 35% para um forno rotativo

tradicional até 47% para um forno rotativo com pré aquecedor e integração

energética de calor (MEIER, 2004).

Tais eficiências são baixas devido ao fato de que a perda de energia por

radiação é significativa em sistemas de fornos rotativos, uma vez que o sistema

isolante é de difícil execução e controle. Para Soares (2007, p.39):

[...] a perda térmica nos fornos de calcinação se dá com a

irradiação de calor pela carcaça do equipamento e através de

outras maneiras, como pelos produtos de combustão expelidos

pela chaminé; com o CO2 produzido pela decomposição dos

carbonatos; com poeiras e minerais incombustíveis que

acompanham os gases; nos produtos (cal e outros)

descarregados com temperatura acima do ambiente; ou para

retirar a umidade dos combustíveis.

29

2.4.1. Combustíveis utilizados na produção de cal

Para Soares (2007) há uma divergência muito grande entre os custos na

indústria de cal devido a vários fatores dentre os quais podemos destacar: as

diversas técnicas empregadas, a ociosidade dos fornos em função do mercado e

o nível de administração.

Um dos maiores custos na maioria das empresas produtoras de cal,

principalmente as que produzem cal através de fornos rotativos, são os

combustíveis. Segundo Ullmann’s [...] (2011, p.47, tradução nossa) “A seleção do

combustível correto é muito importante para o produtor de cal, pois representa

50% do custo total de produção de uma tonelada de cal virgem”.

Para Oates (1998, p.130, tradução nossa), além do custo que o

combustível representa para empresa, uma escolha inapropriada pode gerar

problemas de operação, impactos ambientais e perda de qualidade da cal. Nos

fornos de cal o combustível é mais que uma fonte de calor, pois ele interage com

o processo uma vez que os produtos de combustão reagem com a cal.

Os combustíveis utilizados na calcinação da rocha calcária para a

produção da cal virgem podem ser sólidos, líquidos, gasosos, naturais, fabricados

ou reciclados como, por exemplo: óleos combustíveis; carvão mineral; carvão

vegetal, granulado ou em pó; coque de petróleo; gás natural; lenha e seus

derivados, na forma de toras, cavacos ou serragem. A lenha precisa estar

devidamente legalizada e esta deve ser oriunda de áreas de reflorestamento ou

obtida a partir de planos de manejo florestal, conforme a legislação ambiental

pertinente. Alguns combustíveis não convencionais, para uso em

coprocessamento também podem ser usados desde que sua utilização seja

submetida à aprovação prévia e ao controle do órgão ambiental competente

(SILVA, 2009).

“O consumo de combustível varia de acordo com o tipo de forno utilizado.

O combustível mais utilizado é o coque de petróleo (30%), gás natural (20%),

lenha (20%), óleo combustível (20%) e carvão (10%)” (SILVA, 2009, p.15).

Qualquer combustível utilizado deverá ter certificação quanto à origem, à

qualidade e permitir emissões atmosféricas dentro dos limites estabelecidos pela

legislação ambiental vigente. A utilização de combustíveis que contenham

30

compostos clorados ou precursores da formação de dioxinas ou furanos

dependerá de prévia autorização do órgão ambiental competente (SILVA, 2009).

Alguns combustíveis não podem ser utilizados em certos fornos. Outros

combustíveis podem afetar consideravelmente o calor, a produção e qualidade da

cal. A seleção de um novo combustível nas fábricas geralmente é conduzida por

tentativa e erro e deve ser feita com bastante cuidado. A maioria dos fornos pode

operar com mais de um tipo de combustível fazendo com que o operador possa

selecionar o combustível ou mistura de combustíveis que proporcionará melhor

desempenho operacional e econômico (ULLMANN’S [...], 2011, p.47, tradução

nossa).

Segundo Ullmann’s [...] (2011, p.47, tradução nossa), para seleção de

novos combustíveis os seguintes fatores precisam ser analisados:

Poder Calorífico: o poder calorífico, o custo unitário do combustível e a

necessidade energética do processo permite o cálculo do custo de

combustível por unidade de produto.

Enxofre: Alguns importantes mercados de cal, principalmente a siderurgia,

requerem baixos níveis de enxofre. O enxofre proveniente do combustível

é absorvido pela cal na parte mais fria da zona de calcinação na forma de

sulfato de cálcio. Em fornos verticais eficientes, maior parte desse enxofre

fica retido na cal. Já em alguns fornos rotativos maior parte do enxofre do

combustível é eliminado juntamente com os gases do forno por operarem

com altas temperaturas e pouco excesso de ar na zona de calcinação e

devido ao contato limitado entre os gases do forno e a cal nessa mesma

zona.

Características da combustão: As características de combustão variam de

um combustível para outro. Carvão pulverizado tende a queimar

produzindo uma chama curta, quente e radiante. Por outro lado gás natural

e lenha queimam produzindo chama longa, fria e com baixa radiação.

Essas diferenças podem afetar o aproveitamento do calor e a qualidade do

produto final. Em particular a relação entre carbonato de cálcio residual e a

reatividade com água pode ser influenciada pelo combustível.

31

Tamanho da partícula: Combustíveis sólidos precisam estar na

granulometria correta. Suas propriedades de carbonização bem como a

quantidade de material volátil são parâmetros muito importantes. As cinzas

geralmente contaminam a cal com sílica, óxido de ferro e de alumínio.

Esses compostos podem se combinar com o pó gerado no processo e com

álcalis voláteis (sódio e potássio) formando incrustações (colagem).

Fusão das cinzas: Algumas propriedades da cinza como: teor de cinzas,

temperatura de fusão (que é afetada pela poeira e pela concentração de

oxigênio e monóxido de carbono) e quantidade de álcalis são essenciais na

determinação do combustível.

2.4.2. Combustíveis utilizados em fornos rotativos

“Os fornos rotativos são equipamentos que necessitam de combustíveis

capazes de produzir chama de alta temperatura (1400 – 1500ºC) e principalmente

brilhante, com alta proporção de calor radiante” (FUNDAÇÃO CENTRO

TECNOLÓGICO DE MINAS GERAIS, 1984, p.21).

Outro ponto importante é o projeto correto do combustor que é um

parâmetro crítico para todos os combustíveis e é essencial para eficiência de

operação do forno.

Do ponto de vista dos requisitos que o combustível precisa ter para ser

utilizado em um forno, Oates (1998, p.133, tradução nossa) diz que os fornos

rotativos são os que possuem maior flexibilidade, podendo operar com diferentes

tipos de combustíveis como, por exemplo: Gás natural, óleo combustível (óleo 7A)

e sólidos pulverizados. É importante destacar que a transferência de calor na

zona de calcinação é majoritariamente por radiação e as emissões de

infravermelho aumentam na sequencia gás, óleo e combustíveis sólidos.

Gás natural tende a produzir uma chama longa com baixa radiação,

portanto torna-se necessário um elevado grau de mistura.

Com a utilização de óleo, o enxofre do combustível pode ser eliminado

juntamente com os gases de exaustão. Alto teor de enxofre pode levar a

32

formação de anéis de sulfato de cálcio no final do forno ou depósitos de sulfato de

cálcio no pré aquecedor.

Na queima de combustíveis sólidos, as cinzas e o enxofre do combustível

podem formar colagem. A deposição das cinzas pode ser controlada utilizando

combustível com baixos teores de cinzas (de preferência menor que 7%), alta

temperatura de fusão dessas cinzas e moendo o combustível. Altos níveis de

cinzas requerem material com uma granulometria muito baixa, ou seja, bem

moídos.

O teor de materiais voláteis no carvão precisa ser pelo menos 18 a 20 %.

Baixos níveis de materiais voláteis também exigem maior moagem do

combustível para que ele obtenha os requisitos para combustão (OATES, 1998,


Os combustíveis sólidos mais utilizados no Brasil hoje em fornos rotativos

são coque de petróleo e o carvão vegetal. O coque verde de petróleo é um

produto sólido, obtido a partir do craqueamento de óleos residuais pesados em

unidades de conversão de resíduos denominadas unidades de coqueamento

retardado (UCR). Nesses locais é feita a destruição de resíduos da destilação de

petróleo, principalmente resíduo de vácuo, com objetivo de obtenção de derivados

claros. Como coproduto deste processo é obtido o coque verde de petróleo

(PETROBRAS, s.d).

Já o carvão vegetal é o produto sólido obtido por meio da carbonização da

madeira e suas características dependem do processo de obtenção e do uso para

a qual se destina. Em muitas empresas o combustível utilizado é a moinha de

carvão vegetal que consiste nos finos de carvão que não são aproveitados na

indústria siderúrgica.

Do ponto de vista ambiental surgiram três preocupações principais em

consequência da fabricação de carvão vegetal em larga escala no Brasil. A

primeira está relacionada à possível diminuição da vegetação natural pelo

desmatamento em larga escala que ainda ocorre criminosamente em muitos

lugares do país. A segunda são os impactos ambientais decorrentes das grandes

plantações de eucalipto. Entretanto, muitas plantações de eucalipto são

realizadas em solos pobres que foram degradados e são inapropriados para

agricultura. A terceira grande preocupação está relacionada às atividades de

produção do carvão vegetal. A produção de carvão vegetal indubitavelmente

33

resulta em impactos negativos sobre o meio ambiente devido à natureza do

produto. Muitos compostos derivados dos processos de fabricação do carvão

vegetal são lançados na atmosfera (CALLE; BAJAY; ROTHMAN, 2005).

As vantagens da utilização do carvão vegetal são a baixa emissão de

enxofre e NOx e o próprio balanço da emissão de gás carbônico uma vez que

além de eliminado no processo de queima do carvão, é absorvido pelas

plantações (CALLE; BAJAY; ROTHMAN, 2005).

Para serem utilizados nos fornos de calcinação, o carvão vegetal e/ou

coque precisam ser moídos até serem reduzidos a um pó bem fino. Após o

processo de moagem eles são injetados no forno pelos combustores juntamente

com o ar de combustão.

Estes dois combustíveis apresentam um alto poder energético, fator de

extrema importância para fornos calcinadores que operam a altas temperaturas.

Porém Alves, Partata e Henrique (2007, p.1) constataram que:

[...] com aumento dos custos de insumos e de energia, o coque e

o carvão acarretam em altas despesas para as empresas,

chegando a uma porcentagem de aproximadamente 50% dos

custos totais. A necessidade de ofertar produtos de melhor

qualidade, que não afetem o ecossistema, e que ao mesmo tempo

reduza custos de produção, encoraja a busca e pesquisa por

alternativas energéticas que possam substituir esta matriz

energética utilizada nas indústrias processadoras de cal.

Outra maneira de se utilizar combustíveis sólidos em fornos de calcinação

é através da gaseificação. Esse processo foi definido da seguinte maneira por

Lora et al. (s.d):

[...] a gaseificação é o processo de conversão termoquímica de

um material sólido ou liquido (que contenha carbono na sua

composição) em um combustível gasoso, através da oxidação

parcial a temperaturas elevadas (reações termoquímicas numa

faixa de temperaturas de 800 a 1100ºC) e em pressões

atmosféricas ou maiores, até 33 bar. Os agentes de gaseificação

usados são ar, vapor d’água, oxigênio ou uma mistura desses, em

34

quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para

combustão).

2.5. Biomassa

“Pode ser considerado biomassa todo recurso renovável que provém de

matéria orgânica, de origem vegetal ou animal tendo por objetivo principal a

produção de energia” (BRASIL, MMA, s.d).

“A biomassa tem origem em resíduos sólidos urbanos – animais, vegetais,

industriais e florestais – e, voltada para fins energéticos, abrange a utilização

desses vários resíduos para a geração de fontes alternativas de energia”

(CORTEZ et al., 2008, p.15).

Na verdade, “a biomassa acaba sendo uma fonte indireta de

aproveitamento da luz solar, pois ocorre a conversão da radiação solar em

energia química por meio da fotossíntese” (BRASIL, MMA, s.d).

É possível extrair energia de diversos resíduos como madeira, casca de

arroz, casca de coco, casca de café, bagaço de cana. Como o próprio nome já

diz, na maioria das vezes esses resíduos são gerados nos processos, porém não

são aproveitados. Em alguns casos são reaproveitados apenas para receberem

uma destinação, sem gerar lucros para empresa. Com o advento da

sustentabilidade, inúmeros centros de pesquisa têm estudado maneiras de

reaproveitar esses materiais, principalmente no Brasil. Muitas pesquisas já

renderam resultados concretos e muitas biomassas já possuem diversas

aplicações principalmente na geração de energia e obtenção de novos produtos.

A Figura 10 mostra um diagrama dos processos de conversão da biomassa.

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0103-65132013000300004&script=sci_arttext#f1

35

Figura 10 - Processos de conversão energética da biomassa.

Fonte: Balanço energético nacional, 1982 1 apud Biomassa, s.d.

Segundo Brasil MMA [s.d]:

[...] O Brasil, por possuir condições naturais e geográficas

favoráveis à produção de biomassa, pode assumir posição de

destaque no cenário mundial na produção e no uso como recurso

energético. Por sua situação geográfica, o país recebe intensa

radiação solar ao longo do ano - o que é a fonte de energia

fundamental para a produção de biomassa, quer seja para

alimentação ou para fins agroindustriais. Outro aspecto importante

é que o país possui grande quantidade de terra agricultável, com

boas características de solo e condições climáticas favoráveis. No

entanto, é necessária a conjugação de esforços no sentido de que

esta produção ou o seu incremento seja feito de maneira

sustentável, tanto do ponto de vista ambiental quanto social.

1 Balanço Energético Nacional - BEN. Brasília: MME, 1982.

36

Para Leite (2008, p.11):

[...] começa a se fortalecer o conceito de que o uso do

combustível fóssil é uma pratica meramente extrativista, de

exploração primitiva da natureza Hoje, o aproveitamento da

biomassa é associado a estágios mais elevados de produção,

envolvendo sofisticadas técnicas agrícolas e o processamento

físico e químico dos insumos. [...] Cresce a conscientização de

que o uso de combustíveis fósseis, e o consequente aumento da

temperatura média do globo devido ao efeito estufa, provocará a

médio, se não em curto prazo, perturbações climáticas

catastróficas.

Nesse contexto, o uso de fontes de energia alternativas aos combustíveis

fósseis vem ganhando importância no Brasil e no mundo em virtude da

preservação do meio ambiente e do desenvolvimento sustentável.

A necessidade de redução do uso de derivados do petróleo é a principal

motivação para essa mudança de postura. Isso faz com que os países não

dependam energeticamente de países exportadores de petróleo, e também

diminuam as emissões de gases promotores do efeito estufa

(CORTEZ et al., 2008).

“Uma das principais barreiras à produção e utilização de energia renovável

é o fato de no uso dos combustíveis convencionais não serem considerados os

custos externos da energia como, por exemplo, os custos ambientais.”

(CALLE et al., 2005).

Os resíduos vegetais resultam das atividades de colheita dos produtos

orgânicos. A produção agrícola brasileira vem crescendo a cada dia e essa

produção gera uma grande quantidade de resíduos que podem ser aproveitados

energeticamente em virtude das tecnologias existentes (CORTEZ, 2008). O mapa

a seguir mostra o zoneamento da biomassa brasileira. Porém grande parte

desses resíduos ainda não é reaproveitada e acabam gerando problemas para os

produtores agrícolas que para conferir destinação a esses produtos, utilizam

esses materiais como adubo ou componente de ração animal.

37

Figura 11 - Mapa de zoneamento da biomassa brasileira.

Fonte: Dias (2013).

Demirbas (2003, p. 219-230, tradução nossa), ao comparar o carvão

mineral com diversas biomassas afirma que estas de uma forma geral

apresentam mais oxigênio, sílica, potássio e algumas vezes cálcio; menos

carbono, alumínio e ferro; baixo poder calorífico e maior teor de umidade.

Outra diferença significativa existente entre a biomassa e os combustíveis

fósseis é “a quantidade de material volátil que pode chegar a ser 85% em

biomassas sujeitas a uma temperatura de 500ºC, quando em combustíveis

fósseis esse teor é significantemente menor, variando ao redor de 10 a 25%”

(SILVA, 2012, p.5).

38

2.5.1. Casca de Café

As primeiras mudas de café que chegaram ao Brasil eram provenientes da

Guiana Francesa, em meados do século XVIII. Devido a sua rápida adaptação ao

solo e clima o produto adquiriu importância no mercado e se transformou num dos

principais itens de exportação desde o Império até os dias atuais. A produção de

café então se expandiu e hoje conta com 15 estados produtores com destaque

para Minas Gerais, Espirito Santo, São Paulo, Bahia, Paraná e Rondônia.

(BRASIL, Ministério da Agricultura, s.d).

O café é um produto muito apreciado não só no Brasil, mas no mundo

inteiro e seu consumo vem aumentando cada vez mais. O Brasil é hoje o maior

produtor de café mundial segundo dados da Associação Brasileira da Indústria do

Café (ABIC) como pode ser observado na Tabela 3.

Tabela 3 – Principais países produtores de café (Volume em mil sacas de 60 kg).

Fonte: Associação Brasileira da Indústria de Café, 2014.

A Tabela 4 apresenta dados da safra de 2014 que mostra Minas Gerais

como maior produtor de café do país. Por ser uma cultura bienal o café intercala

ciclos de baixa e alta produtividade.

39

Tabela 4 – Café Beneficiado (Safra 2013) – Produção e produtividade

Fonte: Associação Brasileira da indústria de café, 2014

O café pode ser beneficiado por três vias: seca, semiúmida e úmida. A via

seca é a mais utilizada, cerca de 75% do café colhido é beneficiado por essa via

que consiste na secagem do café com a casca. Neste processo, o café colhido

pode ou não ser lavado para retirada de impurezas ainda presentes. Depois

dessa etapa o café passa por um processo de secagem que geralmente são

40

realizadas em terreiros para secagem natural preliminar. Na secagem realizada

em terreiro, o café deve ser esparramado em finas camadas para que ocorra a

correta secagem dos grãos e deve também ser protegido da chuva para evitar a

fermentação no interior da massa garantindo a eficiência da secagem

(DEGASPARE, 2013). A secagem final ocorre em um secador rotativo e segundo

o teor de umidade mínimo para esta etapa é próximo de 12%. Depois de seco o

café é levado para o beneficiamento onde serão separados grãos e casca,

passando posteriormente por um processo de torrefação e moagem até chegar ao

consumidor final (SILVA, 2012).

No preparo via úmida após a lavagem, ocorre à separação dos frutos com

diferentes pontos de maturação e em seguida esse material segue para o

despolpador sendo descascado e despolpado (DEGASPARE, 2013).

Na via semiúmida os frutos são limpos e separados por densidade na qual

o café menos denso (boia) vai direto para a secagem e o café verde e cereja

seguem para o descascador. No descascador o café verde será separado do

cereja por pressão, sendo levado para o terreiro de secagem. Já os frutos cereja

são descascados mecanicamente, passam por um processo para retirada da

mucilagem e seguem para secagem (DEGASPARE, 2013). A figura a seguir

mostra o fluxograma do processamento e beneficiamento do café.

41

Figura 12 - Fluxograma do processamento e beneficiamento do café.

Fonte: Espíndola et al. (2011).

A casca de café produzida é utilizada pelos próprios produtores como

adubo nas próprias plantações, como alimento para animais e como combustível

para próprio processo de secagem do café. Uma tonelada de grãos de café

produz em média 50% de grão limpo e 50% de casca e polpa (VALE et al., 2007).

Segundo Vale et al. (2007, p.416), “dois milhões de toneladas de casca de café

são produzidas anualmente no Brasil tornando um resíduo interessante, do ponto

de vista da produção de energia”. Para café coco, com 10 a 12% de umidade,

50% é grão (endosperma) e 50% é casca mais pergaminho constituído por

exocarpo e endocarpo (VALE et al., 2007).

Os resíduos mais importantes do tratamento das cerejas de café são a

polpa na via úmida e a casca na via seca. Como 75 % do café produzido no Brasil

é proveniente do método de via seca, estima-se que nosso país produza todos os

42

anos aproximadamente 30 milhões de sacas de casca, muito próximo da

produção do grão de café.

Além da grande quantidade de casca de café gerada no processamento

alguns estudos já apontaram algumas características desejáveis para possível

aplicação energética desse produto.

Segundo Saenger et al. (2001, p.105, tradução nossa), uma das razões do

baixo uso de casca de café como combustível para combustão direta é a falta de

informação a respeito da combustão e emissões características desse resíduo.

Pode-se dizer que os estudos nessa área estão avançando, mas grande parte

desse resíduo continua sendo utilizado em aplicações não tão nobres como na

adubagem das plantações.

Saenger et al. (2001, p.107, tradução nossa) levantou as principais

características da casca de café proveniente da Quênia para processo de

combustão chegando aos seguintes resultados: análise imediata indicando teores

de umidade (11,4%), voláteis (64,6%), cinzas (4%) e carbono fixo (20%). Os

baixos teores de cinzas e de umidade, segundo os autores, são pontos favoráveis

para a utilização desse resíduo agrícola em combustores.

Outro trabalho desenvolvido por Kumar et al2. (2002 apud SILVA, 2012,

p.12) analisou o ponto de fusão das cinzas da casca de café e detectaram que

essas cinzas se fundem a 1020ºC, valor suficientemente elevado para um

processo de combustão.

2.5.2. Finos residuais do beneficiamento do café

Durante o processo físico de beneficiamento do café, muito material

particulado é gerado oriundo da movimentação dos grãos no interior das

máquinas. Alguns produtores, visando evitar a poluição atmosférica, garantir a

salubridade do ambiente e prevenir o aparecimento de doenças respiratórias nos

trabalhadores submete esse material a um sistema de filtração. Dessa forma o ar

2 KUMAR, A.; PUROLITY, P.; RANA, S.; KANDPAL, T., C. An approach to the

estimation of the value of agricultural residues used as biofuels. Biomass and

Bioenergy, v.22, n.3, p. 195 -203; 2002.

43

atmosférico é liberado e o material particulado fica retido nos filtros

(NANTES; ROHM, 1997).

Segundo Nantes e Rohm (1997) esse resíduo aparece do atrito dos grãos

entre si e contra as paredes das máquinas. Os autores também disseram que por

se tratar de um resíduo orgânico, algumas empresas agroindustriais utilizam esse

resíduo na própria lavoura como adubo apenas como forma de dar uma

destinação ao produto. A literatura sobre esse assunto praticamente inexiste e

pouquíssimos estudos foram feitos a respeito da utilização desse material.

Nantes e Rohm (1997) estudaram possíveis aplicações para esse resíduo

e a partir dos resultados, detectaram que depois de compactado, o material

apresentou excelente poder de combustão e baixo teor de cinzas. Essas

características juntamente com os resultados obtidos por análise

termogravimétrica levaram os autores a classificar o resíduo como potencialmente

aproveitável como combustível, sem provocar impactos ambientais.

44

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Quando se deseja determinar a potencialidade de um combustível e,

portanto, poder avaliar se este está sendo utilizado dentro de sua plena

capacidade, deve-se primeiro conhecer suas características químicas e térmicas

fundamentais. Essas características fundamentais são composição química e

potencial calórico (CORTEZ; LORA; GÓMEZ, 2008).

Para tal estudo, serão consideradas as condições reacionais dos fornos

rotativos da Indústria de Cal Cruzeiro.

3.1. Materiais

Os materiais analisados neste trabalho foram: casca de café, finos

residuais do beneficiamento do café e moinha de carvão vegetal.

Figura 13 - Casca de café moída.

Fonte: Arquivo pessoal.

45

Figura 14 - Finos residuais do beneficiamento do café.


Figura 15 - Moinha de carvão vegetal.


A casca de café foi coletada no pátio de matérias primas de uma indústria

de cal de pequeno porte localizada no centro oeste mineiro. Essa empresa possui

um forno de barranco e utiliza a casca de café como combustível.

Os finos residuais do beneficiamento do café foram coletados no pátio de

matérias primas da Indústria de Cal Cruzeiro. Esse resíduo foi fornecido por

empresas beneficiadoras de café localizadas no sul de Minas Gerais.

A moinha de carvão vegetal foi coletada no silo de armazenamento de

combustíveis da Indústria de Cal Cruzeiro. Esse combustível é proveniente de

usinas siderúrgicas.

46

3.2. Procedimento

3.2.1. Caracterização das amostras

Após a amostragem, os materiais foram conduzidos para Escola de

Engenharia de Lorena para serem caracterizados. A primeira foi a análise de

umidade dos materiais, realizada no Laboratório de Processos de Separação. O

equipamento utilizado em tal análise foi um analisador de umidade H843-S da

Mettler Toledo mostrado na Figura 16. A segunda etapa consistiu em moer a

casca de café em um moinho de facas de laboratório. A moagem foi realizada no

Departamento de Biotecnologia Industrial da Escola de Engenharia de Lorena. O

material foi moído a 20 mesh. Tanto a moinha de carvão quanto os finos residuais

do beneficiamento do café já se encontravam na granulometria adequada para

realização das outras análises e, portanto não tiveram que passar por este

processo.

Figura 16 - Analisador de umidade Mettler Toledo H843-S.

Fonte: Arquivo Pessoal.

47

3.2.2. Análise Granulométrica

O próximo passo foi realizar a análise granulométrica dos materiais. Essa

análise foi realizada no laboratório da Indústria de Cal Cruzeiro. Foram utilizadas

cinco peneiras com as seguintes malhas: 9 mesh, 18 mesh, 35 mesh, 48 mesh e

100 mesh. As peneiras utilizadas estão mostradas na Figura 17.

Figura 17 - Peneiras utilizadas na análise granulométrica.


3.2.3. Análise Imediata

Através da análise imediata foi possível determinar o conteúdo, em

percentagem de massa, de materiais voláteis, cinzas e carbono fixo. Esta análise

foi realizada no laboratório da Indústria de Cal Cruzeiro com base na norma

ABNT NBR 8112 (1986) para carvão vegetal. Esta norma foi utilizada tanto para

análise de carvão vegetal quanto dos resíduos do café, pois até o momento não

se tem conhecimento de padronização ou normatização brasileira para análise

imediata de biomassa. A análise foi realizada enquanto esta norma ainda estava

em vigência. A partir de uma mesma amostra foram feitas análises em triplicata

48

para os resíduos do café, enquanto que para a moinha de carvão vegetal foram

utilizadas três amostras de empresas diferentes.

Para determinação do teor de materiais voláteis, foi cumprido o seguinte

procedimento: Aproximadamente 1g de material foi pesado e colocado em um

cadinho com tampa. Em seguida, o cadinho foi colocado sobre a porta de um

forno mufla previamente aquecido a 860ºC, por 3 minutos. Após esse tempo o

cadinho foi introduzido no forno, onde permaneceu por mais 7 minutos com a

porta fechada. Por fim, o cadinho foi retirado do forno, esfriado e pesado. O teor

de materiais voláteis foi calculado de acordo com a seguinte equação:

é � � á � = − � ∗

Para determinação do teor de cinzas foi utilizado praticamente o mesmo

procedimento, porém nessa análise o cadinho permaneceu destampado no forno

mufla até que todo material fosse queimado. Após esse tempo o cadinho foi

retirado do forno, esfriado e pesado. O teor de cinzas foi calculado de acordo com

a seguinte equação:

� � = � − � ℎ ∗

O teor de carbono fixo é uma medida indireta e pode ser calculado de

acordo com a seguinte equação:

�� = − � � + é � á �

3.2.4. Análise Química das Cinzas

A análise de fluorescência de raios x foi realizada visando à determinação

dos elementos presentes nas cinzas da casca de café, finos residuais do

beneficiamento do café e carvão vegetal. As análises foram realizadas no

49

laboratório de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia de

Lorena - USP, por um espectrômetro de fluorescência de raios x por comprimento

de onda dispersivo, modelo Axios Max, da Panalytical. Foi realizada uma análise

semiquantitativa sem padrões, com determinação de elementos químicos de flúor

a urânio, sendo a amostra preparada em cama de ácido bórico.

Figura 18 - Espectrômetro de Fluorescência de raios x – Panalytical.

:

Fonte: Escola de Engenharia de Lorena - USP, [s.d].

Pronobis (2005), propôs uma correlação baseada na composição química

das cinzas para verificar a possível fusão das mesmas. Essa correlação foi

utilizada neste trabalho e está representada a seguir:

+� = � + + + + + 5� + + �

3.2.5. Análise Elementar

A análise elementar é uma técnica que permite determinar as porcentagens

de carbono, hidrogênio e nitrogênio da amostra. Seu funcionamento é baseado no

método de Pregl-Dumas que consiste na combustão da amostra em uma

50

atmosfera de oxigênio puro, sendo os gases resultantes da combustão,

quantificados em um detector TCD (detector de condutividade térmica).

Esta análise foi realizada com 1 g de amostra na Central Analítica do

Instituto de Química da USP. A foto abaixo mostra o analisador elementar –

Perkin Elmer 2400 series ii, utilizado neste trabalho.

Figura 19 - Analisador Elementar Perkin Elmer 2400.

Fonte: Universidade de São Paulo, 2014.

3.2.6. Análise Termogravimétrica (TG/DTG)

As análises de termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG)

da casca de café foram realizadas em um equipamento de TGA-DTG da marca

Netzsch, modelo STA 449 F3, do Laboratório de Combustão e Propulsão

(LCP) - INPE. Já as análises de TG/DTG do resíduo do beneficiamento do café e

da moinha de carvão vegetal foram realizadas na Central Analítica do Instituto de

Química da USP em um equipamento de TGA-DTG modelo STA i 1500 - ISI

(Instrument specialists incorporated).

Para a análise da casca de café foi utilizada atmosfera dinâmica de ar com

vazão de 20 ml/min, intervalo de temperatura de 30 - 1000ºC, com razão de

aquecimento de 5ºC/min e massa da amostra de 55,2 mg. A taxa de aquecimento

51

utilizada foi definida com base em outros estudos com biomassa. Para as demais

foi utilizada atmosfera dinâmica de ar sintético com vazão de 60 ml/min, intervalo

de temperatura de 40 - 950ºC, com razão de aquecimento de 10ºC/min e massa

da amostra de 4,512 mg (finos residuais do beneficiamento do café) e 5,749 mg

(moinha de carvão vegetal).

3.2.7. Poder calorífico

O poder calorífico representa a quantidade de energia liberada por unidade

de massa e está entre os dados térmicos mais importantes na caracterização de

uma biomassa energética. O poder calorifico é classificado como poder calorífico

superior (PCS) ou poder calorífico inferior (PCI). Conceitualmente o PCS é a

soma da energia liberada na forma de calor mais a energia gasta na vaporização

da agua, que se forma numa reação de oxidação (FARIAS, 2012).

Existem inúmeras correlações na literatura para determinação do poder

calorífico a partir da análise imediata, elementar ou química dos combustíveis.

Para Sheng e Azevedo (2005) as equações baseadas na análise elementar são

mais exatas dos que as baseadas na análise imediata uma vez que esta última

fornece somente uma composição empírica do combustível. Os autores ainda

mencionam que as equações baseadas na análise química dos combustíveis não

são viáveis devido à variação das propriedades dos componentes.

Neste trabalho, o poder calorífico superior dos combustíveis será calculado

segundo correlação proposta pelos próprios Sheng e Azevedo (2005), que é

bastante aceita para biomassas.

= − , + , . + , . + , . ∗

Onde PCS é o poder calorífico superior (MJ/kg), C é o teor de carbono (%), H é o

teor de hidrogênio (%) e O* o teor de oxigênio e outros elementos que pode ser

obtido pela fórmula:

∗ = − − − � �

52

Considerando que a temperatura de saída dos gases de combustão em um

forno rotativo de calcinação é maior do que a temperatura de condensação da

água deve-se considerar o poder calorífico inferior na análise de combustíveis

para este tipo de processo.

De acordo com Hilsdorf et al. (2004), o poder calorífico inferior pode ser

obtido pela seguinte expressão:

= PCS − �20 .

Onde L é o calor latente de evaporação da água a 18ºC

Pode se considerar que toda água dos fumos seja proveniente do

hidrogênio total do combustível e por isso a quantidade molar de água formada

durante a combustão será igual à quantidade molar de hidrogênio

(HILSDORF et al., 2004).

53

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1. Caracterização da amostra

Para avaliar o potencial de um material se tornar um combustível, uma das

principais análises é a umidade. Os valores de umidade obtidos para casca de

café, finos residuais do beneficiamento do café e carvão vegetal estão mostrados

no quadro a seguir:

Tabela 5 – Análise de umidade.

Material Umidade (%)

Casca de café 10,52 ± 0,01

Finos residuais do beneficiamento do café 9,68 ± 0,01

Moinha de Carvão Vegetal 8,62 ± 0,02

Fonte: O próprio autor.

Suarez e Luengo3 (2003 apud VALE et al., 2007, p.416) ao estudarem a

combustão de casca de café, encontraram um valor de umidade de 10%, já

Saenger et al (2001, p.107, tradução nossa), encontraram um teor de umidade de

11,4%, valores bem próximos dos encontrados neste trabalho.

Para aplicação em fornos rotativos de calcinação, os combustíveis são

previamente secados uma vez que altos teores de umidade comprometem a

temperatura no interior do forno, em virtude da energia requerida para

vaporização da água presente no combustível. Quanto maior a umidade do

combustível, maior a energia necessária para secá-lo. Outro ponto importante é

que os combustíveis precisam ser moídos antes de entrarem no forno. Altos

teores de umidade podem dificultar o processo de moagem.

Se comparado a outras biomassas, tanto a casca de café como os finos

residuais do beneficiamento do café apresentaram baixa umidade em virtude das

3 SUAREZ, J.A.; LUENGO, C.A. Coffee husk briquettes: a new renewable energy source.

Energy Sources, [S.l.], v. 25, n. 10, p.961-967, 2003.

54

características do beneficiamento, na qual o café é secado antes de ocorrer à

separação da casca e do grão. Porém, se comparado à moinha de carvão vegetal

(8,62%), os resíduos do café apresentaram uma umidade maior.

4.2. Análise granulométrica

Em um forno rotativo de calcinação a granulometria dos materiais é de

grande importância para o processo uma vez que afetam diretamente a

combustão. Quanto menor a granulometria do material, maior a superfície de

contato entre o combustível e o comburente no interior do forno, ocasionando

uma combustão mais completa e liberando mais energia na forma de calor. Na

prática, a granulometria de um combustível para sua utilização em fornos rotativos

deve ser de 90% de material passante em malha de 200 mesh.

A análise granulométrica da casca de café mostrada na Tabela 6 foi

realizada após moagem em moinho de facas. Percebe-se que mais de 50% do

material ficou retido na malha de 35 mesh, granulometria relativamente alta para

este tipo aplicação. Para ser utilizado industrialmente seria necessária uma maior

redução do tamanho das partículas, que não seria tão fácil uma vez que a casca

de café é um material fibroso.

Tabela 6 - Análise granulométrica da casca de café.

Peneira

(mesh) Massa (g) Massa Acumulada (g) Material Retido (%)

9 0,5406 0,5406 1,712

18 4,3160 4,8566 13,667

35 18,6258 23,4824 58,982

48 3,6855 27,1679 11,671

100 3,4492 30,6171 10,922

Fundo 0,9617 31,5788 3,045


55

Já os finos residuais do beneficiamento do café, que não passaram por

processo de moagem, apresentaram uma granulometria menor, 56,5% do

material é passante em 48 mesh, como mostrado na Tabela 7. A baixa

granulometria se deve ao fato de ser um material particulado que se desprende

durante o beneficiamento do café sendo coletado por meio de filtração do ar.

Mesmo com essa granulometria, este material também precisaria passar por um

processo de moagem antes de ser utilizado no processo. Porém, a vantagem é

que não seria difícil obter a granulometria ideal para aplicação no forno.

Tabela 7 - Análise granulométrica dos finos residuais do beneficiamento.

Peneira


9 0,2795 0,2795 0,908

18 2,3906 2,6701 7,765

35 4,6005 7,2706 14,943

48 6,1109 13,3815 19,849

100 14,2550 27,6365 46,304

Fundo 3,1490 30,7855 10,229


A moinha de carvão vegetal apresentou uma granulometria considerada

alta para este tipo de aplicação como visto na Tabela 8 e por isso precisa passar

por processo de moagem antes de ser injetada no combustor do forno. Vale

ressaltar que por ser um material bastante abrasivo, constantemente a planta de

moagem de moinha de carvão precisa passar por manutenção e troca de

equipamentos. Esta é uma das desvantagens da utilização deste combustível nas

indústrias de cal.

56

Tabela 8- Análise granulométrica da moinha de carvão vegetal.

Peneira


9 3,2377 3,2377 10,902

18 3,9813 7,219 13,406

35 13,5546 20,7736 45,642

48 1,0480 21,8216 3,529

100 7,1547 28,9763 24,092

Fundo 0,7215 29,6978 2,423


4.3. Análise Imediata

A análise imediata forneceu dados sobre teor de materiais voláteis,

carbono fixo e cinzas. Estes parâmetros estão diretamente relacionados com a

potencial utilização do combustível.

A Tabela 9 mostra os resultados da análise imediata para cada material.

Tabela 9 - Resultados de análise imediata de cada material.

Teor de

Material Volátil

(%)

Teor de

Cinzas (%)

Teor de

Carbono fixo

(%)

Casca de café 73,89 ± 0,01 6,42 ± 0,01 19,69 ± 0,01

Finos residuais do

beneficiamento do café 76,43 ± 0,02 7,12 ± 0,01 18,11 ± 0,02

Moinha de carvão

vegetal 24,56 ± 0,03 15,95 ± 0,03 59,48 ± 0,02

Fonte: O próprio autor

57

Segundo Bizzo (2003), os materiais voláteis são a parte do combustível

que se separam em forma gasosa durante o aquecimento. Por se tratarem de

biomassas, os resíduos do café apresentaram teores de materiais voláteis

aproximadamente 50% maiores que o carvão vegetal. Os voláteis apresentam

importante papel da ignição e nas etapas iniciais da combustão. Quanto maior o

teor de materiais voláteis, mais fácil e rápido o combustível é consumido durante

a combustão e maior seu poder de ignição. Em fornos rotativos de cal, onde os

combustíveis são injetados no forno a temperaturas superiores a 1000ºC, altos

teores de materiais voláteis fazem com que os combustíveis sejam queimados

logo na saída do combustor. Quanto maior o poder de ignição, mais curta é a

chama e maior a temperatura na zona de queima, o que é desejável para o

processo.

Já o carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do

material volátil e está diretamente relacionado com o poder calorífico do

combustível. O fato da moinha de carvão vegetal apresentar um teor de carbono

fixo muito maior que as biomassas, indica que seu poder calorífico também é bem

maior.

A casca de café foi a que apresentou um menor valor de cinzas, cerca de

metade do valor do carvão vegetal. Esse parâmetro é de grande importância no

estudo da viabilidade de utilização de combustíveis em fornos rotativos de

calcinação. Isto porque o teor de cinzas engloba todos os minerais incombustíveis

que não são queimados e consequentemente se depositam sobre o produto ou

sobre o tijolo refratário que reveste o forno. No caso de depositarem sobre o

produto, alguns componentes presentes na cinza podem acabar contaminando a

cal e comprometendo sua qualidade. Porém o maior problema ocorre quando as

cinzas dos combustíveis reagem com o calcário, a cal e o tijolo refratário do forno,

formando colagem. A colagem quando se forma além de diminuir a produção do

forno ocasiona problemas no processo e dependendo do tamanho pode levar até

uma parada não programada, trazendo enorme prejuízo. Nesse contexto, tanto a

casca de café quanto os finos residuais do beneficiamento do café apresentaram

baixos teores de cinzas. O alto teor de cinzas da moinha de carvão vegetal é

prejudicial ao processo e pode ser explicado por sua procedência, uma vez que é

um resíduo das usinas siderúrgicas.

58

Ao estudar a combustão de briquetes de casca de grãos de café, Suarez

Luengo4 (2003 apud VALE et al., 2007, p.416) encontraram teores de 78,5% de

materiais voláteis, 2,4% de cinzas e 19,1% de carbono fixo. Já Orsini (2012), ao

estudar os resíduos da lavoura cafeeira encontrou os seguintes teores: 78,4% de

materiais voláteis, 6,6% de cinzas e 15% de carbono fixo. Embora haja pequena

diferença nos resultados obtidos em cada trabalho, em se tratando de lavouras

diferentes, esta variação pode ser considerada normal.

4.4. Análise Química das Cinzas

A Tabela 10 mostra o resultado da análise química das cinzas dos

combustíveis estudados, na qual PF representa a perda ao fogo. Vale ressaltar

que a grandeza perda ao fogo significa a perda de massa do material após ser

submetido a altas temperaturas (1000ºC) por certo período de tempo.

Tabela 10 - Análise química das cinzas (Resultados expressos em porcentual em massa

de compostos, normalizados a 100%).



Energy Sources, [S.l.], v. 25, n. 10, p.961-967, 2003

59

O teor de cinzas da análise imediata está relacionado à presença de

quantidades e qualidades diferentes de minerais presentes na biomassa. No caso

da casca de café os principais são: Óxidos de potássio, cálcio, fósforo e silício em

quantidades muito pequenas uma vez que a casca de café apresentou um

elevado valor de perda ao fogo (97,90%). Isto significa que quase todos os

compostos presentes neste material são consumidos durante a combustão.

Os finos residuais do beneficiamento do café apresentaram um menor valor

de perda ao fogo (93,20%) se comparados à casca de café.

Nantes e Rohn (1997), em seus estudos sobre alternativas de utilização do

resíduo gerado no beneficiamento do café, encontraram 93,68% de perda do

fogo, valor bem próximo do obtido neste trabalho. Os principais compostos

encontrados nas cinzas do resíduo do beneficiamento do café foram: óxidos de

silício, potássio, cálcio, magnésio e ferro.

Os teores de potássio e fósforo encontrados nas cinzas dos resíduos do

café são provenientes da adubação e o cálcio proveniente dos corretivos de solo

utilizados na lavoura cafeeira.

Já a moinha de carvão vegetal apresentou baixo valor de perda ao fogo

(83,17%). Isto significa que o material possui maior quantidade de impurezas

como Óxidos de cálcio, silício, alumínio, magnésio e ferro. Estes compostos não

são consumidos na combustão e ficam depositados no forno.

Quanto maior o teor de cinzas, maior a quantidade de impurezas no

combustível. Parte dessas impurezas é arrastada juntamente com os gases de

exaustão, sendo coletada em filtro de mangas e o restante se mistura aos finos da

cal. A presença de altos teores de sílica no combustível é prejudicial ao processo

uma vez que é um dos compostos que leva à formação de colagem. A moinha de

carvão vegetal foi a que apresentou maior teor de sílica.

A partir da correlação de Pronobis (2005) foi possível estabelecer uma

relação entre a temperatura de fusão das cinzas de cada combustível. Quanto

maior a relação B/A (+P), maior a tendência de fusão, ou menor a temperatura de

fusão. Os resultados obtidos estão mostrados na Tabela 11.

60

Tabela 11 – Resultados obtidos a partir da relação de Pronobis.

Material B/A (+P)

Casca de café 6,518

Finos residuais do beneficiamento

do café 1,852

Moinha de carvão vegetal 1,162


A moinha de carvão vegetal e os finos residuais do beneficiamento do café

apresentam menor possibilidade de fusão das cinzas em processos de

combustão enquanto a casca de café apresentou maior possibilidade. A

temperatura de fusão é de grande importância para o processo uma vez que a

fusão das cinzas dentro do forno pode levar a formação de colagem.

4.5. Análise Elementar

A Tabela 12 mostra os valores encontrados de carbono (C), hidrogênio (H)

e nitrogênio (N) das amostras de casca de café, finos residuais do beneficiamento

do café e moinha de carvão vegetal.

Tabela 12 - Dados obtidos da análise elementar.

%Carbono %Hidrogênio %Nitrogênio

Casca de café 37,84 5,96 1,49

Finos residuais do

beneficiamento do café 40,20 6,71 1,90

Moinha de carvão

vegetal 64,47 2,64 0,79


61

De acordo com Guerrero [s.d], os principais elementos químicos presentes

na composição da maioria dos combustíveis comerciais são carbono, hidrogênio,

oxigênio, nitrogênio e enxofre. Destes elementos químicos, apenas carbono,

hidrogênio e enxofre se oxidam na presença de oxigênio e, portanto são

responsáveis diretos pela qualidade do combustível. O carbono possui um poder

calorífico alto (8140 kcal/kg) e apresenta uma fração porcentual da ordem de

50 a 75% na composição de combustíveis sólidos. O hidrogênio é o elemento que

apresenta o maior poder calorífico (28700 kcal/kg), mas sua fração porcentual na

composição de combustíveis sólidos é muito pequena, na ordem de 2 a 4%. Já o

enxofre tem um poder calorífico baixo (2220 kcal/kg) e seu teor nos materiais

estudados neste trabalho é menor que 1% o que o torna insignificante como

elemento combustível. Em contrapartida a presença de enxofre leva à formação

de substâncias tóxicas e corrosivas e a presença de nitrogênio leva a formação

dos óxidos de nitrogênio (NOx) que são altamente poluentes. Além disso, a

presença de oxigênio e nitrogênio diminui a quantidade de calor liberada durante

a combustão.

Estudando o aproveitamento do resíduo da lavoura cafeeira como fonte de

biomassa na produção de hidrogênio, Orsini (2012) encontrou os seguintes

valores de análise elementar da palha do café: 35,5% de carbono, 5,5% de

hidrogênio e 1,25% de nitrogênio.

Velez et al. (2008), ao caracterizarem a casca de café colombiano visando

sua aplicação na gaseificação, encontrou 46,51% de carbono, 6,77% de

hidrogênio e 0,43% de nitrogênio. A diferença entre esses resultados e os

encontrados neste trabalho se deve ao fato da casca de café ter sido obtida de

regiões completamente diferentes.

Se comparado ao carvão vegetal, os resíduos de café apresentaram maior

teor de hidrogênio, que é um elemento combustível altamente desejado, pois

além de apresentar alto poder calorífico, sua queima não emite substâncias

tóxicas ao meio ambiente. Porém, também apresentaram maior valor de

nitrogênio, elemento indesejado devido à formação dos óxidos de nitrogênio. O

teor de carbono está diretamente relacionado ao poder calorífico dos materiais.

Dessa forma por apresentar um alto teor de carbono se comparado aos resíduos

do café, a moinha de carvão vegetal também irá apresentar maior poder

calorífico.

62

4.6. Determinação do Poder Calorífico

O poder calorífico obtido a partir da correlação de Sheng e Azevedo (2005)

está apresentado na Tabela 13.

Tabela 13 - Poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI).

PCS (kcal/kg) PCI (kcal/kg)

Casca de café 3884,42 3570,09

Finos residuais do

beneficiamento do café 4157,86 3803,97

Moinha de carvão

vegetal 5074,47 4935,24


Ao estudar o aproveitamento dos resíduos da lavoura cafeeira como fonte

de biomassa na produção de hidrogênio, Orsini (2012), percebeu que se

comparada a outros resíduos, como por exemplo, bagaço de cana de açúcar, a

casca de café tem maior poder calorífico podendo, portanto, ser considerada um

bom combustível. Vale et al. (2007), ao caracterizar energeticamente o

rendimento da carbonização de resíduos de grãos de café obteve um poder

calorífico superior de 3.933 kcal/kg. Suarez Luengo5 (2003 apud VALE et al.,

2007, p. 416), em seus estudos sobre casca de café encontraram um poder

calorífico superior de 4393 kcal/kg. Em seu trabalho sobre casca de café

proveniente do Quênia, Saenger et al. (2001, p.107, tradução nossa),

encontraram poder calorífico superior de 3845,42 kcal/kg.

Os valores de poder calorífico superior da casca de café encontrados na

literatura estão bem próximos do valor encontrado neste trabalho. Isto mostra que

a correlação de Sheng e Azevedo (2005), é confiável para predizer o poder

calorífico superior de biomassas.

Não foi encontrado na literatura informações sobre poder calorífico superior

dos finos residuais do beneficiamento do café uma vez que estudos relativos à


Energy Sources, [S.l.], v. 25, n. 10, p.961-967, 2003

63

utilização desse resíduo em qualquer área praticamente inexiste. Por ser oriundo

do próprio café, era de se esperar que seu valor fosse próximo ao valor

encontrado para casca de café.

A moinha de carvão vegetal apresentou maior poder calorífico se

comparado aos resíduos do café, o que era esperado. Porém apresentou um

valor baixo em relação ao poder calorífico do carvão vegetal quede acordo com a

literatura geralmente se encontra entre 6000 kcal/kg e 8000 kcal/kg. Esta

diferença se dá pelo fato da moinha de carvão vegetal ser um resíduo da indústria

siderúrgica, que é comercializado com elevado teor de impurezas. Lopes (2009),

analisou o poder calorífico superior de duas amostras de moinha de carvão

vegetal e encontrou os seguintes resultados: 5732 kcal/kg e 5278 kcal/kg, valores

um pouco maiores do que o encontrado pela correlação de Sheng e Azevedo. No

mesmo trabalho, Lopes (2009), encontrou os seguintes valores para poder

calorífico inferior da moinha de carvão vegetal: 5589 kcal/kg e 5135 Kcal/Kg. Já

Silva (2012), estudando a casca de café encontrou um poder calorífico inferior de

3120 Kcal/Kg. Segundo representantes da empresa, os valores do poder

calorífico dos materiais estão coerentes.

4.7. Análise Termogravimétrica

A análise termogravimétrica (TGA) mede a mudança de massa de uma

substância em função de uma variação controlada de temperatura. Foram

realizadas análises de termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG).

Regiões com perda de massa foram observadas, representando as etapas de

secagem, devolatização e oxidação. A região de secagem está relacionada à

liberação de umidade do combustível (Temperaturas em torno de 100ºC).

O segundo pico representa a liberação do material volátil e está associado à

temperatura de ignição do combustível. Esta é uma região de queima rápida e a

perda de massa pode atingir seu maior valor (LIRA; SILVA; ANDERSEN, 2014).

No Gráfico 1 de TG e DTG da casca de café é possível notar a existência

de 4 regiões distintas. A primeira delas ocorre em temperaturas inferiores a 130ºC

na qual a amostra perde 6,77% de massa. Nesta região ocorre a desidratação do

64

material. Na segunda região compreendida entre 130ºC e 350ºC ocorre maior

perda de massa, 48,24%. Nesta região há a decomposição térmica da celulose e

hemicelulose. Na terceira região compreendida entre 350ºC e 500ºC o material

perde 27,68% em massa. Nesta região ocorre a decomposição térmica da lignina.

Por fim, na última região compreendida em temperaturas superiores a 500ºC, a

perda de massa é praticamente desprezível (6,18%) e a amostra sofre apenas

pequenas alterações.

Gráfico 1 - Curva de perda de massa da amostra de casca de café.


Na curva de DTG, na qual foi tirada a variação de massa em relação ao

tempo (%/min), estas regiões ficam melhor identificadas, notando se um pico em

75ºC, referente à perda de umidade da amostra. A região entre 130ºC e 350ºC

onde ocorre maior perda de massa é identificada por um ombro na curva DTG em

190ºC e um pico em 280ºC. Esta região apresentou também maior taxa de

degradação em torno de 2,15%/min. A etapa de decomposição da lignina também

apresentou taxa de degradação de 1,44%, também considerada alta.

Acima de 650ºC praticamente não há mais perda de massa. O resíduo que

permanece ao final indica o teor de cinzas presente na amostra. Pelo gráfico, o

teor de cinzas na temperatura de 900ºC é 10%. Verifica-se que esse valor é cerca

65

de 55% maior ao fornecido pela análise imediata. Esta variação é devida às

temperaturas utilizadas na análise imediata e na análise termogravimétrica.

Dependendo da temperatura, alguns carbonatos presentes na amostra podem ou

não se fundirem. Outra explicação para essa diferença seria a heterogeneidade

da biomassa.

A partir da curva de DTG da casca de café é possível estimar duas

temperaturas importantes. A temperatura aproximada de ignição do combustível

de 210ºC e uma temperatura de pico de 280ºC.

No Gráfico 2 de TG e DTG dos finos residuais do beneficiamento do café

também foi possível notar a existência de 4 regiões distintas. A primeira delas

ocorre em temperaturas inferiores a 120ºC na qual a amostra perde 3,886% de

massa. Nesta região ocorre a desidratação do material. Na segunda região

compreendida entre 120ºC e 380ºC ocorre maior perda de massa, 55,26%. Esta é

uma região na qual há a decomposição térmica da celulose e hemicelulose. Na

terceira região compreendida entre 380ºC e 475ºC o material perde 28,50% em

massa. Nesta região ocorre a decomposição térmica da lignina. Por fim, na última

região compreendida em temperaturas superiores a 475ºC, a perda de massa é

praticamente desprezível e a amostra sofre apenas pequenas alterações.

66

Gráfico 2 - Curva de perda de massa do resíduo do beneficiamento.


Essas regiões ficaram melhor identificadas na curva de DTG, na qual,

neste caso, representa a variação de massa em relação à temperatura (%/ºC).

Nota-se um pequeno pico em 50ºC, referente à perda de umidade da amostra. A

região entre 120ºC e 380ºC onde ocorre maior perda de massa é representada

por um pico em 283ºC e taxa de degradação de 0,513 %/ºC. Por fim a etapa de

decomposição da lignina apresentou maior taxa de degradação (1,08 %/ºC).


permanece ao final indica o teor de cinzas presente na amostra. Pelo gráfico, o

teor de cinzas é de 5,46%, valor próximo do encontrado na análise imediata.

A partir da curva de DTG dos finos residuais do beneficiamento do café é

possível estimar duas temperaturas importantes. A temperatura aproximada de

ignição do combustível de 205ºC e uma temperatura de pico de 446,55ºC.

Já a curva de TG e DTG da moinha de carvão vegetal, mostrada no Gráfico

3, apresentou uma configuração diferente das demais. Neste caso foi possível

notar a existência apenas de três regiões distintas. A primeira delas ocorre em

temperatura inferior a 300ºC, referente à desidratação do material. Na segunda

67

região compreendida entre 300ºC e 550ºC ocorre praticamente toda perda de

massa de massa do material, em torno de 75%. Na terceira região em

temperaturas superiores a 550ºC, a perda de massa é praticamente desprezível e

a amostra sofre apenas pequenas alterações. Através da curva de DTG foi

possível determinar as variações de massa em reações que estavam sobrepostas

na curva de TG.

Gráfico 3 - Curva de perda de massa da moinha de carvão vegetal.


Essas regiões ficaram melhor identificadas na curva de DTG, na qual,

neste caso, representa a variação de massa em relação a temperatura (%/ºC).

Nota-se um pequeno pico em 50ºC, referente à perda de umidade da amostra. A

região entre 300ºC e 550ºC onde ocorre maior perda de massa é representada

por alguns picos, sendo o maior deles em uma temperatura de 439,60ºC,

apresentando taxa de degradação de 0,8 %/ºC.


permanece ao final indica o teor de cinzas presente na amostra. Pelo Gráfico 3, o

teor de cinzas é de 14,93%, valor próximo do encontrado na análise imediata.

68

A partir da curva de DTG da moinha de carvão vegetal foi encontrada a

temperatura aproximada de ignição do combustível de 350ºC e uma temperatura

de pico de 439,60ºC.

A partir dos gráficos foi possível obter parâmetros importantes em relação à

reatividade dos materiais como as temperaturas de ignição (Tig) e temperaturas

de pico (Tp).

Tabela 14 - Temperaturas de ignição e temperaturas de pico dos combustíveis.

Material e condições operacionais da análise Tig (ºC) Tp (ºC)

Casca de café em atmosfera oxidante e taxa de

aquecimento 5ºC/min 210 280

Finos residuais do beneficiamento do café em

atmosfera oxidante e taxa de aquecimento 10ºC/min 205 446,55

Moinha de carvão vegetal em atmosfera oxidante e

taxa de aquecimento 10ºC/min 350 439,60


Os resíduos do café apresentaram uma temperatura de ignição muito

inferior a da moinha de carvão vegetal. Esse resultado era esperado, uma vez

que esses resíduos apresentaram um teor de materiais voláteis superior ao da

moinha. A reatividade do combustível pode ser medida com maior taxa de perda

de massa em menor temperatura, nesse contexto verifica-se que a casca de café

é o combustível mais reativo com taxa máxima de perda de massa superior a

2,15%/min na temperatura de 210ºC.

4.8. Análise Econômica

Segundo Manfred6 (1976 apud SOARES, 2007, p. 205), o consumo de

6 MANFRED, D. R.; GRINFEDER, C.A. Fornos rotativos, Forno Lepol para fabricação de cal

virgem – 1º Seminário sobre operações de fornos. Associação Brasileira dos Produtores de

Cal, São Paulo, 1976.

69

combustível em um forno rotativo de calcinação de 500 t/dia é o seguinte:

1600 kcal/kg a 1700 kcal/kg em fornos longos e 1180 kcal/kg a 1210 kcal/kg em

fornos curtos com pré aquecedor.

Foram levantados os preços líquidos de cada combustível na região onde

está localizada a Indústria de Cal Cruzeiro e os valores encontrados estão

mostrados na Tabela a seguir:

Tabela 15 - Preço líquido por tonelada de cada combustível.

Combustível Preço (R$/t)

Coque Verde de Petróleo 440,00

Moinha de Carvão Vegetal 250,00

Casca de Café 160,00

Finos residuais do beneficiamento do café 140,00


Foram levantadas também informações referentes ao coque verde de

petróleo, que é um combustível utilizado em grande quantidade nos fornos

rotativos de calcinação, principalmente no Brasil.

Diversos cenários de consumo de combustíveis foram criados e analisados

juntamente com membros da Indústria de Cal Cruzeiro no intuito de se encontrar

composições que pudessem gerar benefícios não apenas econômico, mas para o

processo e o meio ambiente. Os cenários estão mostrados na Tabela 16.

70

Tabela 16- Cenários de composição de combustíveis.

Cenário Coque Verde

de Petróleo

Moinha de carvão

vegetal

Casca

de café

Finos residuais do

processamento do café

A 100% 0 0 0

B 0 100% 0 0

C 0 0 100% 0

D 0 0 0 100%

E 50% 50% 0 0

F 50% 0 50% 0

G 50% 0 0 50%

H 0 50% 50% 0

I 0 50% 0 50%

J 0 0 50% 50%

K 50% 25% 25% 0

L 50% 25% 0 25%

M 50% 0 25% 25%

N 0 50% 25% 25%

O 25% 50% 25% 0

P 25% 50% 0 25%

Q 0 25% 50% 25%

R 25% 25% 50% 0

S 25% 0 50% 25%

T 0 25% 25% 50%

U 25% 0 25% 50%

V 25% 25% 0 50%


Os cálculos da quantidade de combustível foram baseados em um

consumo de 1210 kcal/kg de energia no processo, considerando um forno rotativo

curto com pré aquecedor e com capacidade de produção de 500 t/dia de cal

virgem. O poder calorífico inferior do coque verde de petróleo segundo Lopes

(2009), varia de 8200 kcal/kg a 8600 kcal/Kg e sua densidade a granel varia de

700 kg/m³ a 900 kg/m³. Neste trabalho considerou-se para o coque de petróleo

71

PCI de 8200 kcal/kg e densidade a granel de 900 kg/m³. Os valores de densidade

da moinha de carvão vegetal e da casca de café também foram obtidos da

literatura. Lopes (2009), encontrou uma densidade a granel de 300 kg/m³ de

moinha de carvão vegetal e Vale et al. (2007), 166,95 kg/m³ de casca de café.

Não foi encontrado na literatura, valor da densidade a granel do resíduo do

beneficiamento do café. Este valor foi estimado através de procedimento simples

em laboratório na qual foi pesada uma amostra que ocupava um recipiente de

volume conhecido. O valor obtido a partir desta análise foi: 130 kg/m³.

O poder calorífico inferior médio de cada mistura, a quantidade em massa,

o volume de combustível e o custo obtido em cada cenário estão representados

na Tabela 17.

Tabela 17 - Análise Econômica.


CENÁRIO PCI DA

MISTURA (kcal/Kg)

CONSUMO (t/dia)

VOLUME (m³/dia) R$/dia R$/mês

A 8200 73,8 82 32.463,41 973.902,44 B 4935,2 122,6 408,6 30.646,94 919.408,17 C 3570,1 169,5 1015,1 27.114,16 813.424,87 D 3804 159 1223,4 22.266,21 667.986,34 E 6567,6 92,1 153,5 31.780,92 953.427,57 F 5885 102,8 192,7 30.840,89 925.226,57 G 6002 100,8 195,7 29.232,00 876.959,87 H 4252,7 142,3 609,3 29.164,07 874.921,96 I 4369,6 138,5 644 26.999,01 809.970,24 J 3687 164,1 1105,2 24.613,31 738.399,20 K 6226,3 97,2 171,5 31.336,67 940.099,97 L 6284,8 96,3 172,7 30.563,81 916.914,25 M 5943,5 101,8 194,2 30.028,53 900.855,81 N 4311,1 140,3 625,8 28.066,85 842.005,64 O 5410,1 111,8 268,3 30.752,42 922.572,74 P 5468,6 110,6 271,5 29.870,47 896.113,96 Q 3969,8 152,4 798 27.050,79 811.523,62 R 5068,9 119,4 311,3 30.137,48 904.124,30 S 4786 126,4 370,7 28.442,11 853.263,27 T 4028,3 150,2 826,4 25.907,22 777.216,54 U 4844,5 124,9 376,5 27.474,41 824.232,39 V 5185,8 116,7 319,6 28.291,23 848.736,79

72

É importante ressaltar que diversos parâmetros devem ser observados

para escolha do melhor combustível em um forno rotativo de calcinação e não

apenas o custo.

Para maior eficiência energética do processo e melhor custo benefício é

importante utilizar uma mistura de combustíveis diferentes nos fornos rotativos. A

empresa em questão utiliza em seu processo uma mistura de coque verde de

petróleo e moinha de carvão vegetal em uma proporção aproximada de 50% de

cada combustível (Cenário E). O carvão vegetal por apresentar maior ignição, se

comparado ao coque de petróleo, entra em combustão na saída do combustor,

elevando a temperatura para que ocorra a combustão do coque de petróleo. O

coque por sua vez, por apresentar um poder calorífico muito superior, fornece

maior quantidade de energia, necessária para que o processo ocorra.

O cenário que apresentou maior custo (Cenário A) além de inviável

economicamente, também é inviável para o processo uma vez que o coque

possui baixo teor de materiais voláteis e consequentemente baixo poder de

ignição. Isso faria com que o combustível fosse queimado a certa distância do

combustor, originando “chama longa” que não é recomendada.

Um parâmetro determinante na escolha de um combustível para ser

utilizado em um forno rotativo de calcinação é o volume de mistura que deve ser

injetado através do combustor para suprir a necessidade energética do processo

de decomposição do calcário. Dessa forma, misturas com baixo poder calorífico

exigem alto consumo volumétrico de combustíveis. A câmara de combustão do

forno não possui espaço suficiente para que todo esse combustível entre em

combustão. Uma possível saída seria aumentar as dimensões do combustor, da

câmara de combustão e do forno, porém se isso fosse feito, considerando a

mesma quantidade de calcário entrando no processo, a transferência de calor por

radiação da chama para o calcário seria diminuída e não seria atingida a

temperatura de reação. Por outro lado, aumentando a quantidade de calcário que

entra no processo, maior energia seria requerida resultando numa maior

quantidade de combustíveis. Neste trabalho foi adotado um valor máximo de

vazão volumétrica de 200 m3/dia. Este valor foi obtido após discussão com

representantes da empresa com base na vazão volumétrica utilizada atualmente

no processo. Nesse contexto os cenários B, C, D, H, I, J, N, O, P, Q, R, S, T, U, V

não são viáveis para o processo.

73

Os cenários restantes, que se mostraram viáveis em um primeiro momento

estão representados na Tabela 18.

Tabela 18 - Cenários que se mostraram viáveis.

CENÁRIO R$/MÊS REDUÇÃO

DE CUSTO

COMPOSIÇÃO DA MISTURA

COQUE MOINHA CASCA FINOS

F 925.226,57 2,95% 50%

50%

G 876.959,87 8,02% 50%

50%

K 940.099,97 1,39% 50% 25% 25%

L 916.914,25 3,82% 50% 25%

25%

M 900.855,81 5,51% 50%

25% 25%


A utilização de 50% de coque e 50% de casca de café (Cenário F)

apresenta algumas vantagens como: 2,95% de redução no custo mensal de

combustível, substituição total da moinha de carvão vegetal, aumento da

sustentabilidade do processo, aumento na ignição do combustível, redução do

teor de cinzas (impurezas). Porém para ser utilizada como combustível no forno, a

casca de café precisaria passar por um processo de moagem e como visto

anteriormente, não é um material tão fácil de ser moído.

A utilização de 50% de coque e 50% de resíduo do beneficiamento do café

(Cenário G) apresenta vantagens como: 8,02% de redução no custo mensal de

combustível, substituição total da moinha de carvão vegetal, aumento da

sustentabilidade do processo, aumento na ignição do combustível, redução do

teor de cinzas (impurezas). Porém, a oferta de finos residuais do beneficiamento

do café é menor do que a de moinha de carvão e casca de café.

A utilização de 50% coque, 25% de moinha de carvão vegetal e 25% de

casca de café (Cenário k) apresenta vantagens como: 1,39% de redução no custo

mensal de combustível, aumento da sustentabilidade e aumento da flexibilidade

do processo uma vez que se esse cenário for adotado, a empresa passaria a ter

74

três sub unidades de armazenamento e preparação de combustíveis. Porém, a

casca de café precisaria ser moída como já foi dito anteriormente.

A utilização de 50% de coque, 25% de moinha de carvão vegetal e 25% de

finos residuais do beneficiamento de café (Cenário L) apresenta vantagens como:

3,82% de redução no custo mensal de combustível, aumento da sustentabilidade

do processo e aumento da flexibilidade do processo. Porém, como já foi dito, a

oferta de finos residuais do beneficiamento do café é menor do que a de moinha

de carvão vegetal e de casca de café.

Por fim, A utilização de 50% de coque, 25% de finos residuais do

beneficiamento do café e 25% de casca de café (Cenário M) apresenta vantagens

como: 5,51% de redução no custo mensal de combustível, substituição total da

moinha de carvão vegetal, aumento da sustentabilidade do processo, aumento na

ignição do combustível e redução do teor de cinzas (impurezas). Porém, seria

preciso moer a casca de café e fazer uma análise de mercado para os finos

residuais do beneficiamento do café.

75

5. CONCLUSÃO

O presente trabalho visou analisar as características físicas e químicas da

casca de café e dos finos residuais do beneficiamento do café para avaliar

a possibilidade de se tornarem combustíveis em fornos rotativos de

calcinação. Foram analisadas também as características da moinha de

carvão vegetal, um dos combustíveis utilizados atualmente nestes tipos de

fornos, para servir de comparação.

Através das análises realizadas foi possível fazer uma primeira avaliação

da incorporação desses resíduos neste processo.

Os resultados mostraram que as biomassas cafeeiras possuem maior

umidade, maior poder de ignição, menor teor de cinzas (impurezas) e um

menor poder calorífico quando comparadas à moinha de carvão vegetal.

Após análise econômica, cinco cenários com diferentes misturas

combustíveis se mostraram viáveis.

Os resultados foram satisfatórios e em um primeiro momento seria

interessante essa incorporação.

76

6. SUGESTÃO PARA PRÓXIMOS TRABALHOS

Uma sugestão para trabalho posterior seria a aplicação destas cinco

misturas combustíveis, contendo os resíduos da lavoura cafeeira no processo,

seguida de uma criteriosa avaliação do comportamento do forno com esses novos

materiais. Após estes testes, seria possível obter informações suficientes para

determinação da viabilidade do uso desses combustíveis nesse tipo de forno.

77

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