Produção de carvão vegetal. Parte 2
A madeira absolutamente seca não existe. A madeira úmida deve-se secar antes de que começa sua decomposição. Enquanto em suas camadas superficiais existir a umidade, a temperatura de madeira não poderá superar 100 °С, de fato é a temperatura de ebulição. Somente quando as camadas superficiais se secarem por completo, a temperatura de madeira começará aumentar. A madeira consiste em vários componentes que têm diferente composição química. Primeiro, com a temperatura na superfície do pedaço de aproximadamente 180-200 °С começam a se descompor as hemicelulosas, logo a celulosa e logo a lignina. Com a temperatura na superfície até 280-290 °С tem lugar apenas a separação de umas ligações pequenas que formam os gases e os produtos líquidos ligeiros. Más perto a 300 °С começa um processo mais agitado de decomposição que é acompanhado de desprendimento de calor (exoterma). Com isso a temperatura de madeira crescerá espontaneamente até que se desprender todo o calor de exoterma. A seguinte etapa requer de novo a condução de calor externo. É a calcinação de carvão. Vamos estudar as etapas principais mais detalhadamente.
MÉTODOS DE AQUECIMENTO DO MATERIAL
O aquecimento é a condução de calor ao material. Existem muitos métodos de aquecer o material (indução, radiação térmica, etc.), mas durante o obtenção de carvão pelo habitual é usado seja o aquecimento direto com fluxo de gás quente que corre através da camada e lava a superfície de pedaços individuais, seja o aquecimento indireto através da parede de aparelho. No último caso a transmissão do calor é menos efetiva.
Aquecimento direto. Por si mesmo este método de condução de calor é mais efetivo que outros, no entanto, é ligado com alguns problemas tecnológicos dos que vamos falar mais tarde. O movimento de gás através da camada não sempre pode ser regular pela seção. Durante o movimento vertical para cima o fluxo perto das paredes é sempre maior que através da camada. Perto das paredes sempre há mais ocos, por isso é menor a resistência ao fluxo. O calor de gás quente – agente de transferência térmica – é transmitido à lenha fria através de superfície dos pedaços. Quanto menor for o material carregado, tanto maior será a superfície específica. Mas menor serão os tamanhos dos canais, os ocos entre os pedaços individuais. Se carregamos a serragem no aparelho em uma camada, a filtração de fluxo através deste será insignificante. O fluxo irá ao longo das paredes e fará os canais na camada. A massa principal de partículas não será lavada. A presença dos ocos cerrados entre partículas faz da serragem um condutor mau de calor (não é casual que no terreno rural a serragem for lançada amiúde durante o inverno até os marcos de entivação das casas para proteção contra o frio). A transmissão de calor através da camada a causa disso é dificultada. Por isso a secagem e a pirólise de serragem e de outros materiais pequenos na camada não são efetivos.
Existem as particularidades de distribução do fluxo através da camada segundo orientação do aparelho, os lugares de condução e saída do agente de transferência térmica, a relação entre a altura e comprimento de aparelho. É preciso levar em conta que em caso de pouca velocidade do fluxo, no espaço do aparelho, são formadas as zonas de estagnação que são aquecidas pior que outros setores.
Problemas tecnológicos relacionados com o aquecimento direto. É difícil preparar o agente de transferência térmica que não contém o oxigênio. Inclusive durante a queima de gás natural, com finalidade a assegurar a combustão completa é necessário o excesso do ar. Os demais tipos de combustível requerem para uma combustão normal o excesso do ar maior que para o gás natural. Por isso no agente de transferência térmica é sempre presente o oxigênio. Pode-se instalar o sistema adicional de captura de oxigênio do agente de transferência térmica, mas este sistema complica a tecnologia e cria um objeto adicional destinado ao controlo e manutenção.
Quando o agente de transferência térmica que contem o oxigênio entrar na secagem, surgirá a necessidade de um controlo mais sério, já que a madeira posta mais seca na secagem pode se inflamar. Se o agente de transferência térmica com oxigênio entrar dentro dos aparelhos onde tem lugar a pirólise, a oxidação da parte de carvão será inevitável. Por isso a saída de carvão neste caso será reduzida. Os produtos líquidos e gaseosos de decomposição de madeira são misturados com os gases de combustão ininflamáveis; os gases formados têm o poder calorífico baixo, é difícil queimá-los. Se pode-se queimá-los com iluminação de um combustível com mais calorias, o rendimento calorífico será mais baixo, já que os gases serão diluídos. Para o fornecimento inverso dos produtos de combustão na câmara de pirólise é necessário usar o aspirador de fumos quente, este deve estar feito de um metal resistente aos ácidos, já que é possível a entrada neste dos produtos de decomposição. Há uma complicação mais: no agente de transferência térmica por gás ficam as substâncias que cheiram mal, e o carvão tem o olor desagradável. Para se livrar deste é necessário separar a zona de enfriamento de carvão em um ciclo independente, e realizar o enfriamento com fluxo de gás individual que não contém os componentes malcheirosos.
Aquecimento através da parede. Na obtenção de carvão é distribuído o aquecimento externo dos vasos incorporados nos dispositivos de aquecimento (forno, fornalha) onde tem lugar a secagem e a pirólise. O calor é conduzido para as paredes destes vasos mais amiúde com fluxo de gás do agente de transferência térmica, a vezes pela radiação direta do combustível ardente e as paredes incandescentes da fornalha.
Com isso, primeiro, são aquecidas as paredes do vaso. Os gases aquecidos começam subir ao longo das paredes, e quando se enfriarem por conta de transmissão de calor ao material, baixarão pela zona interna. São formados os fluxos cíclicos, como é mostrado na fig. 3. No aparelho posicionado em horizontal tais fluxos jogam um papel menor.
O QUE É A SECAGEM
Antes da pirólise é necessário secar a lenha. O processo de secagem de qualquer material em pedaços consiste em varios períodos (fig. 4).
Enquanto a umidade for alta, a velocidade do processo será determinada pela possibilidade de derivar a umidade da superfície e remover do aparelho. É o período de velocidade constante de secagem (I).
A velocidade depende do estado do meio de gás. Quanto maior for a temperatura, assim como quanto mais rápido se extrair a umidade da superfície do material, tanto maior será a velocidade de secagem. Na medida de redução da umidade é reduzida a velocidade de movimento da umidade dentro do pedaço.
Chega um momento quando chegará menos umidade até a superfície que o meio poderia desviar, começa o período de velocidade decrescente de secagem (II). Em cada seguinte momento de tempo chega menos umidade até a superfície. Quando a frente da umidade se retirar dentro do pedaço, a superfície do material começará se aquecer até uma temperatura superior que a ebulição da água. Entretanto dentro do pedaço a temperatura não supera como antes 100 °С. Por isso na superfície do pedaço tem lugar a pirólise com frequência, e dentro uma secagem mais. Quando a maior parte da umidade livre for eliminada, a velocidade de secagem começará cair bruscamente, é o período de eliminação da umidade capilar (III). A umidade na madeira é distribuída nos poros grandes e pequenos, nas cavidades das células. Uma parte dos poros pequenos é capaz se sobrepor durante redução da umidade. Tal mecanismo protege a planta viva contra a desecação completa, dificulta a eliminação da umidade restante da madeira. O ponto de inflexão entre os períodos I e II chama-se o primeiro ponto crítico. Tanto a velocidade de secagem durante o período I como a hora de começo do período II desde o começo de secagem dependem da temperatura e o modo de movimento do agente de transferência térmica por gás que rodeia a madeira. Se a secagem é realizada pelo agente de transferência térmica que tem a temperatura não superior a 100 °С (como é feito durante a secagem dos produtos madereiros), também tem um grande significado o teor de umidade do agente de transferência térmica.
Mas durante a secagem de lenha pelo habitual são usadas as temperaturas mais altas. O segundo ponto crítico chama-se a transmissão do período II ao período III. Na práctica a secagem durante o período III transcorre muito lentamente. Para os fins práticos pode-se considerar que este cessa. Não pode-se indicar a posição exacta dos pontos críticos. Suas coordenadas dependem dos fatores externos e as particularidades estruturais de madeira. A maioria de investigadores encontra em diferentes condições a posição de primeiro ponto crítico correspondente à umidade de 25 a 35% relat., do segundo ponto crítico – de 8 a 12% relat.
Dai resulta que o aumento da duração de secagem por mais tempo necessário para se aproximar até o primeiro ponto crítico amiúde não é economicamente beneficioso, já que a eliminação de cada seguinte porcento da umidade requer mais tempo que a eliminação do anterior.
O tamanho do pedaço joga um papel maior que durante a secagem. Quanto menor seja o pedaço, tanto mais superfícies abertas convirão à unidade de peso, e mais rápido será a secagem. Mas é a condição que a camada do material for ventilada regularmente pelo fluxo.
A serragem cria uma resistência ao fluxo, forma os ocos fechados entre partículas, por isso são secados na camada pior que os pedaços grandes. As particularidades estruturais de madeira determinam as condições diferentes de movimento da umidade de dentro até a superfície nas direções ao longo e de través do tronco: um pedaço redondo inclusive de um diámetro pequeno é secado bastante pior que um lenho cortado mais grosso.
Antes havia aceitada uma tecnologia com a que a lenha colocada em pilhas de lenha era armazenada em uma bolsa durante os meses de verão para a secagem natural. O empilhamento era feito a mão, seguindo certas regras, com guarnições, o que assegurava uma boa ventilação. Por acima a pilha era coberta com a casca. No tempo seco a lenha alcançava o estado seco por ar (25-28% de umidade) durante as primeiras semanas. Tal método é desvantajoso nas condições modernas, já que durante um longo prazo são desviados da circulação os fundos que foram gastados para abastecimento e armazenamento, são requeridas as áreas grandes. Esta prática foi recusada em todas partes. A colocação manual não é recuperada. Existe uma experiência exitosa de secagem em montões nos suportes em grade. Em qualquer caso a colocação de lenha para secagem, e logo sua seleção para o processamento é um elo adicional custoso. Além disso, o armazenamento de lenha nas situações financeiras modernas significa a redução dos ritmos de uso dos fundos de circulação. Por isso seria ótima a secagem artificial.
Como já foi mencionado, a velocidade de secagem depende da temperatura do agente de transferência térmica. Mas a secagem é o processo de eliminação da umidade. Durante a secagem também é mudada a estrutura de madeira. Se a secagem for intensiva (o que pode haver com a temperatura alta do agente de transferência térmica), ao mesmo tempo formar-se-ão muitos vapores. No pedaço desenvolver-se-á uma pressão maior quando este seja mais grande, e maior a temperatura de aquecimento. Com esta pressão é despedaçada a madeira.
Logo o carvão resulta ser pequeno e com fendas. E ao contrário, o aquecimento lento, o processo que dura durante vários dias com aumento lento de temperatura permite obter o carvão carbonizado perfeitamente sem fendas. Exatamente por isso algumas tecnologias primitivas desde a obtenção de carvão em montões até o uso dos fornos aceitados no Sudeste da Ásia produzem o carvão de alta qualidade. Pode-se observar estas condições em quaisquer fornos, e não apenas nos asiáticos tradicionais. Em literatura pode-se encontrar os links a uma particularidade dos fornos asiáticos que são unicamente possíveis para obter os carvões muito de qualidade, no entanto, não deve-se confiar nos distribuidores destas ideias. Seja que forem limitados nas noções sobre o processo, seja que desinformam concientemente os leitores em proveito de promoção de “sua” tecnologia.
Estes fornos “ecologicamente sujos” e de gasto permitem obter um bom carvão a causa do caráter bastante prolongado do processo. Mas tais condições também pode-se reproduzir em quaisquer outros aparelhos. Mas as causas apenas económicas (capacidade produtiva específica baixa) simplesmente não permitirão distribuir o modo semelhante em todas partes.
Autor deste artigo: Yiriy Yudkevich, candidato em ciências técnicas. Este material é publicado com permissão da filha do autor.
