Racionalização de Energia em Fornos de Revestimentos Cerâmicos
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Racionalização <strong>de</strong> <strong>Energia</strong> <strong>em</strong> <strong>Fornos</strong><strong>de</strong> <strong>Revestimentos</strong> CerâmicosEnrique, J.E. Mallol, G. Monfort, E. e Cantavella, V.Instituto <strong>de</strong> Tecnología Cerámica (ITC)Asociación <strong>de</strong> Investigación <strong>de</strong> las Industrias Cerámicas (AICE)Universitat Jaume I. Castellón. (España)Campus Universitario Riu Sec 12006, Castellon, Espanhae-mail: gustavo@itc.uji.esIResumo: Tendo <strong>em</strong> vista que a energia consumida no processo <strong>de</strong> fabricação <strong>de</strong> revestimentoscerâmicos exerce gran<strong>de</strong> influência sobre o custo do produto final, este trabalho visa apresentarmedidas para a redução do consumo energético. A racionalização <strong>de</strong> energia no setor cerâmico po<strong>de</strong>ser realizada através <strong>de</strong> medidas que se divi<strong>de</strong>m <strong>em</strong> três gran<strong>de</strong>s grupos: melhora da manutenção edos modos <strong>de</strong> operação do processo, utilização <strong>de</strong> instalações <strong>de</strong> recuperação energética e substituição<strong>de</strong> equipamentos e processos. Neste estudo apresenta-se o impacto das evoluções tecnológicasrecentes (<strong>em</strong>prego <strong>de</strong> fornos <strong>de</strong> monoqueima, uso do gás natural e <strong>de</strong> instalações <strong>de</strong> cogeração)sobre o consumo energético, b<strong>em</strong> como algumas possibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> regulag<strong>em</strong> do forno para aotimização do uso <strong>de</strong> energia na etapa <strong>de</strong> queima.Palavras-chaves: energia, fornos, queimaIntroduçãoNo processo <strong>de</strong> fabricação <strong>de</strong> revestimentos cerâmicos,um dos principais custos da produção é o da energia <strong>em</strong>pregada,principalmente térmica e elétrica 1-3 . A evoluçãocontínua na tecnologia <strong>em</strong>pregada e a aplicação <strong>de</strong> medidas<strong>de</strong> economia energética t<strong>em</strong> tornado possível a diminuiçãodo impacto <strong>de</strong>ste fator no custo final do produto.Mesmo assim, na atualida<strong>de</strong> os elevados níveis <strong>de</strong><strong>de</strong>gradação do meio ambiente <strong>de</strong>correntes da ação dohom<strong>em</strong>, faz<strong>em</strong> com que a preocupação por t<strong>em</strong>as meioambientaisseja elevada. Neste sentido, os esforços realizadospelo setor cerâmico espanhol para minimizar o impactomeioambiental nos últimos anos t<strong>em</strong> sido importante: reciclag<strong>em</strong><strong>de</strong> lodos nos atomizadores, instalação <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as<strong>de</strong> <strong>de</strong>puração, planos <strong>de</strong> economia <strong>de</strong> água, medidas <strong>de</strong>economia energética, <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> instalações <strong>de</strong> cogeração,etc. No entanto, o aumento <strong>de</strong> produção observadonos últimos anos, junto com a elevada concentração <strong>de</strong><strong>em</strong>presas, faz com que o impacto meioambiental do setorseja cada vez mais alto.Um dos principais compostos gerados <strong>em</strong> qualquerprocesso industrial <strong>em</strong> que se produza combustão, é odióxido <strong>de</strong> carbono (CO 2). Mesmo que esta substância nãoseja um contaminante, é consi<strong>de</strong>rada uma das principaisresponsáveis pelo conhecido “efeito estufa”, provocandouma elevação da t<strong>em</strong>peratura média mundial.O processo <strong>de</strong> fabricação <strong>de</strong> revestimentos cerâmicosrequer, <strong>em</strong> algumas <strong>de</strong> suas etapas, um consumo energéticoresponsável pelas transformações físico-químicas necessáriaspara se obter o produto final. Deste fato, verificaseque um dos melhores indicadores da evolução daindústria cerâmica é o estudo da evolução <strong>de</strong> seu consumoenergético, que será abordada no presente trabalho.As etapas que requer<strong>em</strong> uma <strong>de</strong>manda energética t<strong>em</strong>apresentado mudanças com o t<strong>em</strong>po, <strong>de</strong>vido a evoluçãotecnológica do processo e, <strong>em</strong> algumas ocasiões, o processoprodutivo t<strong>em</strong> provocado mudanças na fonte <strong>de</strong> energia.No início do século, as únicas etapas do processo querequeriam uma fonte <strong>de</strong> energia que liberasse calor eram aqueima do suporte e do vidrado (segunda queima). Ambaseram realizadas <strong>em</strong> fornos árabes <strong>em</strong>pregando-se combustívelsólido (lenha). A operação <strong>de</strong> secag<strong>em</strong> era realizadaao ar livre ou <strong>em</strong> salas suficient<strong>em</strong>ente ventiladas,preparadas para tal propósito.Pouco a pouco, durante o período <strong>de</strong> 1930-1970, generalizou-seo uso <strong>de</strong> combustíveis líquidos (óleo). Inicialmentefoi <strong>em</strong>pregado na segunda queima e posteriormente22 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
também na secag<strong>em</strong> e queima do suporte. Esta mudançaocorreu <strong>em</strong> função da evolução tecnológica <strong>de</strong>stas etapasdo processo e das vantagens que este combustível apresentava<strong>em</strong> relação aos combustíveis sólidos: maior constância<strong>em</strong> suas proprieda<strong>de</strong>s, facilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> transporte e centralizaçãodo fornecimento.Na segunda queima passou-se a <strong>em</strong>pregar fornos <strong>de</strong>passag<strong>em</strong>, mantendo os fornos árabes, com lenha, para aqueima do biscoito. Posteriormente o surgimento dos fornostúneis para a primeira queima (finais dos anos 60) e dosfornos <strong>de</strong> canais para a segunda (princípio dos anos 70),eliminaram <strong>de</strong>finitivamente o <strong>em</strong>prego dos combustíveissólidos.A possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> queimar o suporte e o esmalte <strong>em</strong>uma única queima (monoqueima), no final dos anos 70,conduziu a uns dos mais importantes acontecimentos tecnológicosdos últimos anos: o <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> fornos a rolos naetapa <strong>de</strong> queima.O aparecimento <strong>de</strong>sta nova tecnologia <strong>de</strong> queimatrouxe importantes mudanças nos processos <strong>de</strong> produção.Pouco a pouco o processo <strong>de</strong> biqueima tradicional (<strong>em</strong>pregandofornos túneis para o suporte e fornos <strong>de</strong> canais paraa segunda queima) foi substituído pela monoqueima <strong>em</strong>fornos a rolos, primeiro para produzir pisos e posteriormenteazulejos. Incluindo as <strong>em</strong>presas que por diversasrazões t<strong>em</strong> mantido a biqueima, estas t<strong>em</strong> sido realizadas<strong>em</strong> fornos a rolos <strong>de</strong> passag<strong>em</strong> rápida (biqueima rápida).Nos fornos a rolos os gases <strong>de</strong> combustão entram <strong>em</strong>contato direto com o produto, o que requer a utilização <strong>de</strong>combustíveis cujos gases <strong>de</strong> combustão sejam isentos <strong>de</strong>substâncias suscetíveis <strong>de</strong> provocar<strong>em</strong> <strong>de</strong>feitos no produtofinal. Em razão disso, no início dos anos 80, implantou-seo gás natural como principal fonte <strong>de</strong> energia, tanto noprocesso <strong>de</strong> queima como no <strong>de</strong> secag<strong>em</strong>, relegando inicialmentea um segundo plano e posteriormente eliminandocompletamente o uso do óleo nestas etapas do processo.Quase ao mesmo t<strong>em</strong>po <strong>em</strong> que se produziam asmudanças na monoqueima, as exigências <strong>de</strong> qualida<strong>de</strong> doproduto tornaram-se cada vez maiores, os maiores formatosforam revolucionando o mercado e as peculiarida<strong>de</strong>s donovo processo <strong>de</strong> produção, fizeram necessário o surgimento<strong>de</strong> uma nova etapa do processo: a secag<strong>em</strong> poratomização 4,5 . Para esta etapa, que também requer umconsumo energético importante, adotou-se o gás naturalcomo fonte <strong>de</strong> energia térmica.Posteriormente, e dadas as necessida<strong>de</strong>s do processo <strong>de</strong>secag<strong>em</strong> por atomização (gases <strong>em</strong> t<strong>em</strong>peraturas elevadas),adotaram-se sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração para o fornecimentoenergético nesta etapa do processo. Recent<strong>em</strong>ente estãosendo impl<strong>em</strong>entados sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração, <strong>de</strong> menoresdimensões, na etapa <strong>de</strong> secag<strong>em</strong> das peças.Evolução do Consumo Energéticono Setor Espanhol <strong>de</strong> <strong>Revestimentos</strong>CerâmicosA evolução do consumo <strong>de</strong> energia térmica e elétricano setor espanhol <strong>de</strong> revestimentos cerâmicos é vista <strong>em</strong><strong>de</strong>talhes na Figura 1. Neste trabalho, quando calcula-se oconsumo <strong>de</strong> gás natural, não inclui-se o gás <strong>em</strong>pregado nasturbinas <strong>de</strong> cogeração para a produção <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>, queé contabilizado como energia elétrica.Na Figura 1 aprecia-se uma forte diminuição do consumotérmico produzido por combustíveis <strong>de</strong>rivados dopetróleo e paralelamente um forte aumento do consumo <strong>de</strong>gás natural 6 . Além disso, observa-se um aumento do consumo<strong>de</strong> energia elétrica propiciado pelo incr<strong>em</strong>ento daprodução e da progressiva automatização do processo <strong>de</strong>fabricação.Na mesma Figura 1 calcula-se a contribuição percentual<strong>de</strong> cada fonte <strong>de</strong> energia <strong>em</strong> relação ao consumo energéticototal. Ao calcular-se a energia total existe uma gran<strong>de</strong>controvérsia na conversão <strong>de</strong> energia elétrica <strong>em</strong> unida<strong>de</strong>s<strong>de</strong> energia térmica, <strong>de</strong>vido às importantes perdas <strong>de</strong> energiaprimária geradas <strong>em</strong> sua produção. Os critérios <strong>em</strong>pregadospara realizar esta conversão <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>m da análise quese <strong>de</strong>seja realizar dos resultados.No caso da Figura 1, para transformar a energia elétrica<strong>em</strong> energia térmica e calcular a energia total, não consi<strong>de</strong>ra-seas perdas por transformação geradas nas centraiselétricas. Deste modo, nesta figura reflete-se a contribuição<strong>de</strong> cada fonte <strong>de</strong> energia no consumo total <strong>de</strong> energia.Ainda que <strong>em</strong> 1985 a energia majoritariamente utilizadaera obtida por combustíveis <strong>de</strong>rivados do petróleo,principalmente óleo e GLP, no momento atual, a maiorparte da energia <strong>em</strong>pregada é obtida pelo gás natural.Devido às mudanças tecnológicas e ao aumento daautomação do processo <strong>de</strong> produção, a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong>energia elétrica <strong>em</strong>pregada aumentou <strong>de</strong> 4% <strong>em</strong> 1985 atécerca <strong>de</strong> 10% atualmente.Figura 1. Evolução do consumo energético.Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 23
Evolução do consumo <strong>de</strong> energia térmicano setor <strong>de</strong> revestimentos cerâmicosNa Figura 2 indica-se a evolução da produção <strong>de</strong> revestimentoscerâmicos e do consumo <strong>de</strong> energia térmica noperíodo compreendido entre 1985 e 1995 7 .Como aprecia-se na Figura 2, a produção <strong>de</strong> revestimentoscerâmicos t<strong>em</strong> crescido <strong>de</strong> maneira contínua duranteos últimos <strong>de</strong>z anos, ainda que sob velocida<strong>de</strong>sdiferentes De fato, durante o triênio 1989-1991 o crescimentoda produção foi baixo, sobretudo quando comparadocom o crescimento experimentado nos últimos trêsanos. Nestes anos (1989-91) o estancamento da produçãofoi produzido especialmente pela diminuição da <strong>de</strong>mandanacional <strong>de</strong> produto, como uma conseqüência da criseeconômica.A abertura <strong>de</strong> novos mercados exteriores, favorecidapelo conhecimento e pelo controle do processo <strong>de</strong> produçãoque permitiu uma melhora da qualida<strong>de</strong> do produto, b<strong>em</strong>como a favorável situação da moeda espanhola nos últimosanos, que favoreceu a exportação, possibilitaram o final doestancamento da produção. Todos os fatores listados anteriormentecontribuíram para consolidar o setor cerâmico,que duplicou sua produção nos últimos sete anos.O consumo <strong>de</strong> energia térmica diminuiu <strong>de</strong> 1985 até1987, apesar do aumento <strong>de</strong> produção observado, <strong>de</strong>vidoaos efeitos da evolução tecnológica: <strong>em</strong>prego dos fornos arolos e utilização do gás natural como combustível. Nosanos seguintes, o consumo energético seguiu aumentandocom a produção, observando-se uma nova queda no ano <strong>de</strong>1991, <strong>de</strong>vido aos efeitos das medidas energéticas adotadascomo conseqüência do aumento da produção.Atualmente, 99% da energia térmica consumida noprocesso <strong>de</strong> fabricação é <strong>em</strong>pregada <strong>em</strong> três etapas: secag<strong>em</strong><strong>de</strong> barbotina por atomização, secag<strong>em</strong> e queima <strong>de</strong>peças conformadas.Analisando-se a distribuição <strong>de</strong> energia térmica consumidanas distintas etapas do processo produtivo nos últimos5 anos (Figura 3), verifica-se que a etapa com maior consumo<strong>de</strong> energia térmica é a queima (50-60% do total),seguida pela secag<strong>em</strong> por atomização (30-40%) e finalmentea secag<strong>em</strong> da peça compactada (5-10%).Evolução do consumo específico <strong>de</strong> energia térmicaPara enten<strong>de</strong>r a incidência das medidas <strong>de</strong> economiaenergética adotadas e das mudanças tecnológicas ocorridas,é necessário analisar a evolução do consumoespecífico <strong>de</strong> energia térmica, visto que a incidência daprodução po<strong>de</strong> mascarar alguns <strong>de</strong>stes efeitos. Será apresentadaa evolução do consumo específico <strong>de</strong> energia térmicadurante os últimos <strong>de</strong>z anos 8 .Na Figura 4 representa-se a evolução do consumo térmicoespecífico durante o período <strong>de</strong> t<strong>em</strong>po 1985-1995.Para realizar este cálculo utilizou-se o PCS (po<strong>de</strong>rcalorífico superior) do combustível e a massa <strong>de</strong> produtoqueimadoA evolução do consumo térmico específico neste intervalo<strong>de</strong> t<strong>em</strong>po apresenta dois períodos claramente diferenciados.O primeiro, <strong>de</strong> 85 a 87, <strong>em</strong> que o consumoespecífico diminui rapidamente, e o segundo, <strong>de</strong> 87 até aatualida<strong>de</strong>, <strong>em</strong> que o consumo específico <strong>de</strong>cresce progressivamente,porém a uma velocida<strong>de</strong> menor.Figura 3. Distribuição do consumo energético nas distintas etapas doprocesso.Figura 2. Evolução do consumo térmico e da produção <strong>de</strong> revestimentoscerâmicos.Figura 4. Evolução do consumo específico <strong>de</strong> energia térmica.24 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
O <strong>de</strong>créscimo brusco observado no primeiro períodov<strong>em</strong> motivado principalmente pelas seguintes causas:• generalização do gás natural como principal fonte <strong>de</strong>energia, substituindo os <strong>de</strong>rivados do petróleo;• conversão do processo <strong>de</strong> produção da biqueima tradicionalaos processos <strong>de</strong> monoqueima ou biqueima <strong>em</strong>ciclos rápidos, <strong>em</strong>pregando fornos a rolos;• adoção <strong>de</strong> um gran<strong>de</strong> número <strong>de</strong> medidas <strong>de</strong> economiaenergética por parte das <strong>em</strong>presas, baseadas na otimizaçãodo processo e <strong>em</strong> instalações <strong>de</strong> recuperação,promovidas pelas distintas administrações mediante:• campanhas <strong>de</strong> promoção <strong>de</strong> economia energética;• realização <strong>de</strong> auditorias energéticas por entida<strong>de</strong>sespecializadas (IVEN, IDAE, etc.);• subvenções e <strong>em</strong>préstimos <strong>de</strong> juros baixos paramedidas <strong>de</strong> economia energética <strong>em</strong> instalações industriais;• publicações sobre economia energética, como olivro “Ahorro energético en el sector azulejero”,publicado pela IPAE 9 e outros 10 .O segundo período apresentou algumas característicasnotavelmente distintas:• consolidação da conversão do processo <strong>de</strong> fabricação,substituindo-se praticamente a totalida<strong>de</strong> dos fornostradicionais por fornos a rolos <strong>de</strong> passag<strong>em</strong> rápida 11 ;• adoção <strong>de</strong> algumas medidas <strong>de</strong> economia energética:• estudo da reologia <strong>de</strong> barbotinas e otimização dos<strong>de</strong>floculantes adicionados na operação <strong>de</strong> secag<strong>em</strong><strong>de</strong> barbotinas por atomização, para aumentar o conteúdo<strong>de</strong> sólidos das mesmas;• otimização e aumento do controle da etapa <strong>de</strong> secag<strong>em</strong><strong>de</strong> barbotinas por atomização, com a incorporação<strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> medição contínuo daumida<strong>de</strong> do pó atomizado e do volume e da t<strong>em</strong>peraturadas distintas correntes <strong>de</strong> gases 12,13 .• realização <strong>de</strong> estudos e publicações sobre a otimizaçãoda curva <strong>de</strong> pressão estática no seio do forno 14e do volume do ar <strong>de</strong> combustão 15 , o que permiteotimizar as condições <strong>de</strong> funcionamento dos fornos,trazendo economias energéticas;• incorporação <strong>de</strong> secadores horizontais para a secag<strong>em</strong><strong>de</strong> peças conformadas.• <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> instalações com maior capacida<strong>de</strong> produtiva.Todas estas medidas não supõ<strong>em</strong> uma mudança tecnológicatão importante como a mudança produzida naprimeira etapa, <strong>de</strong>vida basicamente à alteração da fonte <strong>de</strong>energia e do processo produtivo, o que explica a diferença<strong>de</strong> velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> redução do consumo térmico específicoentre as duas etapas distintas.As três etapas <strong>em</strong> que se consome mais <strong>de</strong> 90% daenergia térmica do processo são: secag<strong>em</strong> <strong>de</strong> barbotina poratomização, secag<strong>em</strong> <strong>de</strong> peças compactadas e queima doproduto.Na Figura 5 representa-se a evolução, durante os últimossete anos, do consumo térmico específico na etapa <strong>de</strong>queima. Para realizar o cálculo, supõe-se que cada uma dasqueimas do processo <strong>de</strong> biqueima rápida apresenta umconsumo igual ao <strong>de</strong> uma queima <strong>de</strong> um processo <strong>de</strong>monoqueima. Portanto, consi<strong>de</strong>ra-se que queima-se duasvezes a produção <strong>de</strong> biqueima <strong>em</strong> relação à <strong>de</strong> monoqueima.A massa <strong>de</strong> produto consi<strong>de</strong>rada é a massa do produtoqueimado.Na Figura 5, aprecia-se uma diminuição inicial doconsumo térmico específico, propiciada principalmentepelo aumento do controle sobre os fornos a rolos, pelaaplicação <strong>de</strong> medidas <strong>de</strong> economia energética (controle dacurva <strong>de</strong> pressões) e pelo <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> secadores na entradados fornos. Posteriormente, do mesmo modo como ocorreucom a operação <strong>de</strong> secag<strong>em</strong> por atomização, produziu-seum estancamento no valor do consumo específico (<strong>de</strong> 1991a 1994). Ultimamente com a aplicação <strong>de</strong> novas medidas<strong>de</strong> economia energética (controle sobre o volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong>combustão) e o <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> instalações com maior capacida<strong>de</strong>produtiva, estão sendo obtidas novas diminuições noconsumo específico <strong>de</strong>sta etapa do processo <strong>de</strong> produção.Portanto, o consumo teórico específico <strong>de</strong> todo o processopo<strong>de</strong> ser estimado para o ano <strong>de</strong> 1995 <strong>em</strong> um valormédio <strong>de</strong> 1200 Kcal/Kg <strong>de</strong> produto acabado, distribuídos<strong>em</strong> 350 Kcal/Kg <strong>de</strong> pó atomizado, 135 Kcal/Kg <strong>de</strong> peçassecas e 655 Kcal/Kg <strong>de</strong> produto queimado.Economia <strong>de</strong> <strong>Energia</strong> na Queima<strong>de</strong> <strong>Revestimentos</strong> CerâmicosAo falar sobre economia <strong>de</strong> energia é necessário indicaros seguintes aspectos:• Cada fábrica possui algumas peculiarida<strong>de</strong>s que geralmentea diferencia das <strong>de</strong>mais, <strong>de</strong> tal modo que nãoFigura 5. Evolução do consumo térmico específico nas diferentesetapas <strong>de</strong> fabricação.Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 25
necessariamente será possível utilizar todas as técnicasindicadas no presente trabalho;• Antes da realização <strong>de</strong> qualquer ação para a reduçãodo consumo energético, é necessário conhecer a distribuiçãodo mesmo nas distintas seções da fábrica erealizar balanços energéticos nas instalações consumidoras<strong>de</strong> energia com o objetivo <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar <strong>em</strong>quais pontos são produzidas as maiores perdas e quaissão suscetíveis <strong>de</strong> redução ou recuperação.• Em todas as alternativas oferecidas, consi<strong>de</strong>ra-secomo condição primordial a manutenção das condições<strong>de</strong> qualida<strong>de</strong> do produto, ou inclusive melhorias,verificando-se as alternativas vantajosas doponto <strong>de</strong> vista da economia energética que não sãoprejudiciais à qualida<strong>de</strong> do produto.Em geral, as medidas a ser<strong>em</strong> adotadas se divi<strong>de</strong>m <strong>em</strong>três gran<strong>de</strong>s grupos, <strong>de</strong> acordo com a importânciaeconômica das mesmas e com os princípios <strong>de</strong> economiaenergética.Melhora da manutenção e dos modos <strong>de</strong> operaçãoEste aspecto se caracteriza por uma campanha <strong>de</strong> conscientizaçãopessoal da importância da economia energética,pela intensificação da manutenção e doaproveitamento máximo das instalações existentes. Tudoisso baseado no critério: “a melhor recuperação energéticaconsiste <strong>em</strong> consumir o menos possível”.S<strong>em</strong> nenhuma dúvida, a maior dificulda<strong>de</strong> apresentadapelas ações compreendidas neste grupo, é conseguirromper com uma série <strong>de</strong> costumes estabelecidos no seiodo processo produtivo.Realização <strong>de</strong> instalações <strong>de</strong> recuperaçãoDe maneira geral, trata-se <strong>de</strong> mudanças pequenas oumédias, com t<strong>em</strong>pos <strong>de</strong> recuperação muito curtos. Oscritérios utilizados para as instalações <strong>de</strong> recuperação são:a) Consi<strong>de</strong>ra-se que toda recuperação é possível, <strong>de</strong>s<strong>de</strong>que não provoque efeitos negativos sobre o ambienteinterno ou externo da fábrica;b) A melhor recuperação energética que po<strong>de</strong>-se realizar<strong>em</strong> uma instalação é aquela que é efetuada sobre simesma;c) Quanto maior é a t<strong>em</strong>peratura da <strong>em</strong>issão gasosa quepreten<strong>de</strong>-se recuperar, maior é a qualida<strong>de</strong> da economiaenergética realizada;d) A melhor utilização do calor recuperado é aquela querequer a menor transformação possível.Substituição <strong>de</strong> equipamentos e processosPor último, aparec<strong>em</strong> as medidas mais drásticas e custosas,como a troca <strong>de</strong> combustível, a troca <strong>de</strong> equipamentos(fornos, etc.), a transformação do processo e inclusive<strong>de</strong> todo o processo.Por último, cabe ressaltar que procurou-se quantificartodas as ações <strong>de</strong> economia indicadas da maneira maispróxima da realida<strong>de</strong>. No entanto, exist<strong>em</strong> algumas ações<strong>em</strong> que é muito difícil chegar a valores concretos, mas quesão vantajosas sob o ponto <strong>de</strong> vista do conjunto qualida<strong>de</strong>produção-consumo.Economia <strong>de</strong> energia nas instalações <strong>de</strong> queimaOtimização do modo <strong>de</strong> produçãoi) Utilização <strong>de</strong> composições mais fun<strong>de</strong>ntes e que nãoapresentam “coração negro”Composições mais fun<strong>de</strong>ntes. As composições <strong>de</strong> massasque apresentam baixa t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong> gresificação, comum intervalo <strong>de</strong> queima relativamente amplo são maisa<strong>de</strong>quadas que as composições mais refratárias. Consequent<strong>em</strong>entesua utilização permite a obtenção <strong>de</strong> consumosenergéticos mais baixos.As massas argilosas formuladas com argilas vermelhasnaturais do tipo ilítico-caulinítica, com predomínio daestrutura ilítica, apresentam <strong>em</strong> sua composição uma maiorproporção <strong>de</strong> óxidos fun<strong>de</strong>ntes e <strong>de</strong> óxido <strong>de</strong> ferro, que asargilas cauliníticas e as argilas brancas, resultando <strong>em</strong> umat<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong> gresificação mais baixa. Deste modo, sãomais a<strong>de</strong>quadas para a redução do consumo energético. Asargilas com conteúdos <strong>em</strong> carbonato superiores a 3-4%,além <strong>de</strong> reduzir<strong>em</strong> consi<strong>de</strong>ravelmente o intervalo <strong>de</strong> gresificaçãoda massa, aumentam a t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong> gresificação,inviabilizando sua utilização para a fabricação <strong>de</strong> produtosgresificados.As argilas com elevados conteúdos <strong>de</strong> quartzo tambémapresentam t<strong>em</strong>peraturas mais elevadas <strong>de</strong> gresificação.Por outro lado, convém ressaltar que um aumento excessivo<strong>de</strong> fun<strong>de</strong>ntes na massa, além <strong>de</strong> diminuir a t<strong>em</strong>peratura<strong>de</strong> gresificação, ocasiona geralmente uma redução dointervalo <strong>de</strong> gresificação, o que favorece o surgimento <strong>de</strong>probl<strong>em</strong>as <strong>de</strong> esquadro e calibres no produto queimado.Resulta, portanto, conveniente na formulação <strong>de</strong> novascomposições, a realização dos diagramas <strong>de</strong> gresificaçãocom o objetivo <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar a t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong> queima e ointervalo <strong>de</strong> gresificação.Composições com ausência <strong>de</strong> “coração negro”. Asmassas que apresentam matéria orgânica <strong>em</strong> sua composição,ainda que <strong>em</strong> pequenas proporções (menores que0,5%), quando são queimadas <strong>em</strong> ciclos rápidos (45 minutos),<strong>de</strong>vido a combustão incompleta da matéria orgânica,apresentam o <strong>de</strong>feito conhecido como “coraçãonegro”, que po<strong>de</strong> causar pinchados ou <strong>de</strong>formações naspeças.Para evitar este <strong>de</strong>feito, estas massas <strong>de</strong>v<strong>em</strong> ser queimadas<strong>em</strong> ciclos mais longos, com amplo patamar <strong>de</strong>t<strong>em</strong>peratura entre 800 e 1000 o C e com uma atmosfera maisrica <strong>em</strong> oxigênio do que aquelas que não apresentamtendência à formação <strong>de</strong>ste <strong>de</strong>feito. Estes fatos resultam <strong>em</strong>26 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
Tabela 1. Valores da pressão estática e da porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio nas experiências realizadas.Parâmetro Zona L (m) Curvas <strong>de</strong> PressõesPressão estáticaInicial I II III(mm c.a.)44 0.20 0.10 - 0.20Resfriamento 43 0.25 0.15 0.45 0.20Queima 42 < 0.40 0.20 > 0.25 0.1541 0.35 > 0.15 0.25 < 0.1540 0.35 0.15 > 0.20 0.1039 > 0.30 < 0.15 0.20 0.10Conteúdo <strong>de</strong> oxigênio dos gases (%) Resfriamento 43 18.8 20.5 20.9 20.9um maior consumo <strong>de</strong> energia na queima e <strong>em</strong> produçõesmais baixas.As massas <strong>de</strong>v<strong>em</strong> ser formuladas com argilas que contenhamo mínimo possível <strong>de</strong> matéria orgânica e, alémdisso, com uma relação <strong>de</strong> plásticos-não-plásticos que permitauma rápida oxidação, durante o pré-aquecimento damatéria orgânica.A incorporação <strong>de</strong> não-plásticos (quartzo, chamota,feldspato, etc.), e a adição <strong>de</strong> pequenas proporções <strong>de</strong>carbonato <strong>de</strong> cálcio e talco aumentam a permeabilida<strong>de</strong> dapeça no pré-aquecimento, e consequent<strong>em</strong>ente, reduz<strong>em</strong> ot<strong>em</strong>po necessário para a oxidação da matéria orgânica,responsável pela formação do “coração negro”.Uma compactação excessiva da peça e a moag<strong>em</strong> intensada composição também favorec<strong>em</strong> o surgimento do“coração negro” .ii) Aumento da produçãoO aumento da produção <strong>em</strong> um forno <strong>de</strong> monoqueimapo<strong>de</strong> ser obtido através <strong>de</strong> diversas formas:• Redução do ciclo <strong>de</strong> queima (quando a flexibilida<strong>de</strong>do forno permite);• Mudança do formato por outro similar que otimize asuperfície útil do forno;• Mudança da forma <strong>de</strong> introduzir as peças no forno(quando trata-se <strong>de</strong> peças retangulares).Todas estas medidas significam uma redução do consumoenergético, já que para este tipo <strong>de</strong> aumento <strong>de</strong>produção existe uma série <strong>de</strong> termos do balanço energéticoque são praticamente constantes, como são, <strong>de</strong>ntre outros,a perda por pare<strong>de</strong>s, etc.iii) Redução da espessura das peçasEsta medida, ainda que esteja incluída no it<strong>em</strong> correspon<strong>de</strong>nteaos fornos, significa uma economia energética<strong>em</strong> todo processo. No caso da queima, a economia energéticaé feita da mesma forma que nos casos anteriores(redução da massa <strong>de</strong> material a queimar por m 2 <strong>de</strong> produto).É preciso levar <strong>em</strong> conta que a redução <strong>de</strong> espessurapo<strong>de</strong> afetar a planarida<strong>de</strong> da peça e, <strong>em</strong> alguns casos, seránecessário um reajuste da curva <strong>de</strong> queima.As conseqüências <strong>de</strong>sta medida, inclu<strong>em</strong> <strong>de</strong>s<strong>de</strong> aeconomia <strong>de</strong> matérias primas e aditivos até a diminuição<strong>de</strong> gastos <strong>em</strong> uma série <strong>de</strong> termos menos quantificáveis,mas <strong>de</strong> gran<strong>de</strong> incidência na comercialização, como transporte,<strong>em</strong>balag<strong>em</strong>, paletização, etc.iv) Melhora do rendimento energético <strong>de</strong> um fornoatuando sobre as variáveis do processoNeste it<strong>em</strong>, analisa-se as curvas <strong>de</strong> pressões completas<strong>de</strong> um forno, estabelecendo os pontos críticos que permit<strong>em</strong>configurar uma curva ótima <strong>de</strong> pressões.Leva-se <strong>em</strong> conta a seleção e a utilização do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong>medida a<strong>de</strong>quado para <strong>de</strong>terminar quantitativamente o volumedo ar <strong>de</strong> combustão. Estudou-se a incidência que esteparâmetro exerce sobre as principais variáveis do forno,especialmente sobre o consumo energético.Finalmente realizou-se um balanço energético do fornoestudado, obtendo-se uma equação simples que permiteprever o consumo do mesmo e sua variação, assim comoas perdas por pare<strong>de</strong>s e fugas. O estudo foi realizado <strong>em</strong>um forno <strong>de</strong>dicado a queima <strong>de</strong> pisos gresificados pormonoqueima.As condições <strong>de</strong> operação dos fornos, majoritariamenteutilizados na fabricação <strong>de</strong> pisos e azulejos cerâmicos, vêm<strong>de</strong>finidas sobretudo pela curva <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas, pela curva<strong>de</strong> pressões estáticas e pela curva <strong>de</strong> pressões parciais <strong>de</strong>oxigênio no seio do forno.Habitualmente o controle industrial das variáveis <strong>de</strong>queima é reduzido à curva <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas e ao valor dapressão estática na zona <strong>de</strong> máxima t<strong>em</strong>peratura.Na atualida<strong>de</strong> existe uma tendência a controlar apressão interna do forno na zona <strong>de</strong> queima com um sist<strong>em</strong>acapaz <strong>de</strong> mante-la nos valores estabelecidos, atuando sobrea válvula do ventilador principal 16 . No entanto, nestessist<strong>em</strong>as não se leva <strong>em</strong> conta a curva completa <strong>de</strong> pressõesno interior do forno, que é <strong>de</strong>terminante para a circulação<strong>de</strong> gases no mesmo.Outra variável que t<strong>em</strong> uma incidência significativasobre as condições <strong>de</strong> operação do forno é o volume <strong>de</strong> arprimário. Geralmente opera-se com excesso <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> entrada,para obter uma porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio a<strong>de</strong>quadaCerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 27
nos gases <strong>de</strong> combustão, que permita consi<strong>de</strong>rar as reações<strong>de</strong> oxidação da matéria orgânica presente na peça.Durante todo o estudo realizado, consi<strong>de</strong>rou-se comocondição primordial a manutenção da qualida<strong>de</strong> do produtoacabado.Os objetivos do estudo são:• Obter a curva <strong>de</strong> pressões estáticas <strong>de</strong> um forno eestabelecer os pontos críticos da mesma;• Estudar a influência da curva <strong>de</strong> pressões sobre aestabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> funcionamento e sobre o consumoenergético do forno;• Analisar a incidência do volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustãosobre os principais parâmetros do forno, fundamentalmentesobre o consumo energético.O estudo foi realizado <strong>em</strong> uma planta piloto utilizadana fabricação <strong>de</strong> pisos gresificados por monoqueima. Duranteo <strong>de</strong>senvolvimento do trabalho, manteve-se constantea curva <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas (com uma t<strong>em</strong>peratura máxima <strong>de</strong>1140 °C), a produção, o formato e o tipo <strong>de</strong> esmalte.O trabalho foi realizado <strong>em</strong> um forno <strong>de</strong> monoqueima 17 ,utilizando gás natural como combustível, cujas principaiscaracterísticas po<strong>de</strong>m ser encontradas na bibliografia 18 .Durante a realização dos ensaios, <strong>de</strong>terminou-se <strong>de</strong>forma puntual as seguintes variáveis:• Curva <strong>de</strong> pressão estática no canal superior e inferiorao plano <strong>de</strong> rolos;• Porcentagens <strong>de</strong> oxigênio <strong>em</strong> distintas zonas do forno;• Pressões estáticas <strong>de</strong> entrada do combustível e do arprimário aos queimadores;• Consumo <strong>de</strong> combustível.As <strong>de</strong>terminações das pressões estáticas foram realizadascom um micromanômetro analógico e a análise dosgases com um analisador <strong>de</strong> combustão digital.Com o objetivo <strong>de</strong> conhecer a evolução dos gasesdurante as operações realizadas, <strong>em</strong>pregaram-se el<strong>em</strong>entos<strong>de</strong> medida que permit<strong>em</strong> <strong>de</strong>terminar continuamente osseguintes parâmetros:• Pressão dinâmica média do ar <strong>de</strong> combustão (∆P) A;• Pressão dinâmica máxima (∆P) H e t<strong>em</strong>peratura (T H)das <strong>em</strong>issões gasosas pela chaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong>fumos;• Pressão dinâmica máxima (∆P) E e t<strong>em</strong>peratura (T E)das <strong>em</strong>issões gasosas na chaminé <strong>de</strong> resfriamento.O esqu<strong>em</strong>a geral do dispositivo <strong>em</strong>pregado está indicadona bibliografia 19 .Para a medida da pressão dinâmica do ar <strong>de</strong> combustãoutilizou-se um Tubo <strong>de</strong> Pitot, convenient<strong>em</strong>ente modificado,que permite <strong>de</strong>terminar simultaneamente a pressão<strong>de</strong> impacto <strong>em</strong> vários pontos do diâmetro da condução,obtendo-se <strong>de</strong>ste modo a pressão dinâmica média. A partir<strong>de</strong>ste valor po<strong>de</strong>-se calcular a velocida<strong>de</strong> média e o volume<strong>de</strong> gases na condução, utilizando-se as equações pertinentes20 .Para calcular o volume <strong>de</strong> gases na chaminé <strong>de</strong> aspiração<strong>de</strong> fumos e na chaminé <strong>de</strong> resfriamento, <strong>de</strong>terminousecontinuamente o valor da pressão dinâmica máxima<strong>de</strong>sta corrente, assim como sua t<strong>em</strong>peratura no ponto damedida. Neste caso, foram utilizados Tubos <strong>de</strong> Pitot convencionaise termopares tipo K, os quais situados no ponto<strong>de</strong> máxima pressão dinâmica, permit<strong>em</strong> calcular a pressãodinâmica média a partir da expressão:∆P med = 0,83 . (∆P) máx (1)válida para um módulo <strong>de</strong> Reynolds superior a 10 5 20 ,condição cumprida no ponto da medida.Mediante a realização <strong>de</strong> medidas contínuas <strong>de</strong>stesparâmetros é possível calcular o valor médio das seguintesvariáveis:• Volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão;• Volume dos gases na chaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos;• Volume dos gases na chaminé <strong>de</strong> resfriamento.Para conhecer a resposta do forno às diferentes operaçõesrealizadas, uma vez fixadas as condições <strong>de</strong> funcionamento,estas foram mantidas durante 15 dias. Nesteperíodo realizou-se um acompanhamento do consumoenergético do forno para obter dados representativos <strong>em</strong>cada uma das condições, além <strong>de</strong> avaliar a estabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong>funcionamento do mesmo.Inicialmente caracterizou-se o forno nas condiçõeshabituais <strong>de</strong> funcionamento, <strong>de</strong>terminando-se as pressõesestáticas nas zonas <strong>de</strong> pré-aquecimento, queima e resfriamentorápido, além da porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio nestaúltima (Tabela 1). Os valores correspon<strong>de</strong>ntes às pressõesestáticas iniciais, no seio do forno encontram-se representadosna Figura 6.Analisando-se a curva <strong>de</strong> pressões estáticas obtida,observa-se que a pressão do forno aumenta da zona <strong>de</strong>pré-aquecimento até a zona <strong>de</strong> queima, on<strong>de</strong> alcança umvalor máximo (A), para diminuir posteriormente na zona<strong>de</strong> resfriamento. A curva não apresenta mudanças bruscasFigura 6. Curva inicial <strong>de</strong> pressões.28 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
Tabela 2. Valores dos principais parâmetros do forno ao modificar o volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão.Ensaio IV Ensaio V Ensaio VIParametros <strong>de</strong> CombustãoPressão do ar nos queimadores (Pa) 588 490 392P medidor <strong>de</strong> vazão (Pa) 95.1 77.3 55.8Volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão (Nm 3 /h) 3680 3330 2820Volume <strong>de</strong> gás natural (Nm 3 /h) 160 157 148Excesso <strong>de</strong> ar ((n-1) x 100 (%)) 140 122 99Emissões da Chaminé <strong>de</strong> Aspiração <strong>de</strong> FumosPorcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio (%) 15.7 15.4 15.1Volume (Nm 3 /h) 6150 5750 4925T<strong>em</strong>peratura (ºC) 246 243 226Emissões da Chaminé <strong>de</strong> ResfriamentoP tubo <strong>de</strong> Pitot (Pa) 61.1 61.2 61.4Volume (Nm 3 /h) 7480 7490 7500T<strong>em</strong>peratura (ºC) 157 157 156Parâmetros <strong>de</strong> QueimaPorcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio mínimo (%) 9.2 9.2 10.7Consumo específico médio (kcal/kg)* 619 605 573* Com referência ao P.C.S. do combustível e à massa <strong>de</strong> produto queimado.<strong>de</strong> inclinação, como uma conseqüência <strong>de</strong> trabalhar-se comuma câmara livre <strong>de</strong> el<strong>em</strong>entos que produz<strong>em</strong> perdas <strong>de</strong>carga, exceto no ponto que separa as zonas <strong>de</strong> queima eresfriamento, on<strong>de</strong> existe um el<strong>em</strong>ento separador. NaFigura 6 representa-se sua posição com o eixo das abcissas.O valor da porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio medido na zona <strong>de</strong>resfriamento é <strong>de</strong> 18,8%, o que supõe que uma certa quantida<strong>de</strong><strong>de</strong> gases da zona <strong>de</strong> queima (com uma porcentag<strong>em</strong><strong>de</strong> oxigênio inferior a 20,9%), passa à zona <strong>de</strong> resfriamento.Este fato é consistente com a curva <strong>de</strong> pressões registrada.Dado que a circulação <strong>de</strong> fluídos é produzida no sentido <strong>de</strong>menor pressão estática, exist<strong>em</strong> dois sentidos <strong>de</strong> circulação<strong>de</strong> gases (A - B e A - C), <strong>de</strong>limitados pelo ponto <strong>de</strong> máximapressão. Como este encontra-se na zona <strong>de</strong> queima, partedos gases quentes <strong>de</strong>sta zona passam para a zona <strong>de</strong> resfriamento,<strong>em</strong>pobrecendo a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio dosgases presentes na mesma.Os gases que flu<strong>em</strong> no sentido A-C serão <strong>em</strong>itidos pelachaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos, circulando <strong>em</strong> contracorrentecom o material que alimenta o forno, e <strong>em</strong> conseqüência,trocando calor com o mesmo, aumentando orendimento energético do processo <strong>de</strong> queima.Por outro lado, os gases que flu<strong>em</strong> no sentido A - Bserão <strong>em</strong>itidos pela chaminé <strong>de</strong> resfriamento, atravessandoa zona <strong>de</strong> resfriamento, s<strong>em</strong> que se aproveite o seu valorentálpico.De acordo com esta hipótese, qualquer esforço realizadopara evitar uma circulação dos gases no sentido queima-resfriamento,provocará uma aumento do rendimentoenergético da operação <strong>de</strong> queima. Em conseqüência, nestetrabalho o estudo da curva <strong>de</strong> pressões encontra-se voltadofundamentalmente para esta zona 14 .O valor absoluto alcançado pela pressão <strong>em</strong> seu pontomáximo, não <strong>de</strong>ve influenciar, <strong>em</strong> princípio, na circulaçãodos gases. No entanto, valores excessivamente altos po<strong>de</strong>mocasionar uma maior <strong>de</strong>teriorização do refratário da câmara<strong>de</strong> queima e maiores perdas energéticas. Por outro lado,valores baixos po<strong>de</strong>m provocar probl<strong>em</strong>as <strong>de</strong> gradientes <strong>de</strong>t<strong>em</strong>peratura na câmara <strong>de</strong> queima 21 .a) Modificação do valor absoluto da pressão máximaPara estudar a possível incidência do valor absoluto dapressão máxima no consumo, regulou-se o forno <strong>de</strong> formaa se obter<strong>em</strong> curvas com um perfil análogo e com valoresabsolutos <strong>de</strong> pressão máxima consi<strong>de</strong>rados extr<strong>em</strong>os, paraas condições habituais <strong>de</strong> funcionamento do forno.A partir do perfil inicial <strong>de</strong> pressões no ensaio I, modificou-seconvenient<strong>em</strong>ente as válvulas da chaminé <strong>de</strong> aspiração<strong>de</strong> fumos, obtendo-se a curva I. Neste caso,observa-se que ocorre a diminuição da pressão <strong>em</strong> toda acâmara do forno, sendo esta diminuição maior na zona <strong>de</strong>queima. No entanto, não ocorre uma modificação naposição longitudinal no ponto <strong>de</strong> pressão máxima.Nessas condições, produz-se uma pequena diminuiçãodo consumo (menor que 1%) <strong>de</strong>vida à redução do fluxo <strong>de</strong>gases entre a queima e o resfriamento, como uma conseqüênciada diminuição do gradiente <strong>de</strong> pressão entreCerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 29
ambos. Este fato se reflete na variação da porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong>oxigênio nos gases <strong>de</strong> resfriamento, que aumentou <strong>em</strong> 1,7%(Tabela 1) ao passar do perfil <strong>de</strong> pressões inicial ao da curvaI.Neste estudo não avaliou-se a possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> trabalhar-se<strong>em</strong> <strong>de</strong>pressão na zona <strong>de</strong> queima, <strong>em</strong> virtu<strong>de</strong> dosprobl<strong>em</strong>as que po<strong>de</strong>m surgir: entrada <strong>de</strong> ar parasitário,maior pendência a gradientes <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura, etc. Na bibliografiaconsultada <strong>de</strong>saconselha-se trabalhar <strong>em</strong> condições<strong>de</strong> <strong>de</strong>pressão na zona <strong>de</strong> queima para esses tipos <strong>de</strong>produto 9,21 .b) Modificação da posição longitudinal do ponto<strong>de</strong> pressão máximaDe acordo com a hipótese levantada neste trabalho,realizaram-se ensaios para situar o ponto <strong>de</strong> pressãomáxima na zona <strong>de</strong> resfriamento, <strong>de</strong> modo a evitar a circulação<strong>de</strong> gases no sentido queima-resfriamento e inverterseseu sentido.À partir da curva I no ensaio II, fechou-se a entrada doventilador <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> ar na zona <strong>de</strong> resfriamento, como qual obteve-se a curva II (Figura 8). Nestas condições,são produzidas alterações na curva <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas, vistoque a última zona <strong>de</strong> queima não é capaz <strong>de</strong> manter at<strong>em</strong>peratura estável, dado o elevado fluxo <strong>de</strong> gases, relativamentefrios, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> a zona <strong>de</strong> resfriamento da queimacomo conseqüência da elevada diferença <strong>de</strong> pressões entreambas zonas (∆P ~ 0,2 mm c.a.).Para retornar a uma situação <strong>de</strong> funcionamento estável,modificou-se a entrada do ventilador <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> gases<strong>de</strong> resfriamento e atuou-se sobre o ventilador <strong>de</strong> aspiraçãoprincipal (Ensaio III), obtendo-se a curva III.O forno alterado nestas condições cumpre o requisito<strong>de</strong> uma elevada estabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> funcionamento, com umacirculação <strong>de</strong> gases <strong>de</strong>s<strong>de</strong> o resfriamento até a zona <strong>de</strong>queima, contribuída pela <strong>de</strong>terminação <strong>de</strong> uma porcentag<strong>em</strong><strong>de</strong> oxigênio na zona <strong>de</strong> resfriamento <strong>de</strong> 20,9%(Tabela 1). O consumo térmico do forno foi diminuído <strong>em</strong>5% <strong>em</strong> relação à situação inicial, modificando-se unicamentea curva <strong>de</strong> pressões estáticas no forno.c) Modificação do volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustãoA entrada <strong>de</strong> ar da zona <strong>de</strong> resfriamento até a <strong>de</strong> queima,ao aumentar a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio nas zonas <strong>de</strong>pré-aquecimento e queima, po<strong>de</strong> causar a redução do volume<strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão s<strong>em</strong> que ocorra a diminuição daporcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio no seio do forno.Para estudar a influência do volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustãosobre o funcionamento do forno, foram realizados trêsensaios a três volumes <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão diferentes,tomando-se como referência a pressão estática do ar <strong>de</strong>combustão <strong>em</strong> queimadores. Este valor mantém-se constantee igual para todos os queimadores <strong>em</strong> cada um dosensaios efetuados. Os ensaios foram realizados reduzindoseo volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão e mantendo-se constanteo perfil <strong>de</strong> pressões na câmara do forno, visto que é consi<strong>de</strong>radoa<strong>de</strong>quado pelas razões apontadas anteriormente.Nos ensaios IV, V e VI da tabela 2, a pressão estáticado ar <strong>de</strong> combustão <strong>em</strong> queimadores foi <strong>de</strong> 588, 490 e 392Pa (60, 50 e 40 mm c.a., respectivamente). Em cada umadas condições <strong>de</strong> funcionamento do forno realizou-se umaaquisição das variáveis medidas continuamente, conformese verifica nas figuras 7, 8 e 9.Nestas figuras encontram-se representados os valores:da t<strong>em</strong>peratura dos gases na chaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos(TH), na chaminé <strong>de</strong> resfriamento (T E), a pressão dinâmicamédia do ar <strong>de</strong> combustão ((∆P) A), a pressão dinâmicamáxima dos gases na chaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos((∆P) H) e a pressão dinâmica máxima dos gases na chaminé<strong>de</strong> resfriamento ((∆P) E), medidas <strong>em</strong> distintas condições <strong>de</strong>operação do forno.Na tabela 2 encontram-se resumidos os dados maissignificativos do forno operando <strong>em</strong> distintas condições <strong>de</strong>ensaio.Dos valores das distintas variáveis medidas, <strong>em</strong> cadauma das operações realizadas, e refletidas na tabela 2,verifica-se que o volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão é reduzido <strong>em</strong>aproximadamente 25% <strong>em</strong> relação ao ensaio IV, o querepresenta uma redução <strong>de</strong> 40% do excesso <strong>de</strong> ar.Figura 7. Valor absoluto da pressão máxima.Figura 8. Posição longitudinal do ponto <strong>de</strong> pressão máxima.30 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
Tabela 3. T<strong>em</strong>peraturas (°C) <strong>de</strong>terminadas <strong>em</strong> distintas seções do forno.Distância (D) da entrada do forno (m)L* (cm) 19 21 23 25 27 31 33 35 37 39 41 43 455.7 880 914 928 958 991 1082 1118 1114 1114 1122 1118 1089 106415.7 857 890 905 942 988 1102 1130 1121 1119 1126 1122 1086 105925.7 847 884 894 934 986 1116 1140 1127 1122 1130 1126 1082 105335.7 852 887 895 936 989 1121 1141 1128 1123 1130 1127 1081 105445.7 875 905 913 948 994 1115 1133 1127 1122 1129 1128 1085 105855.7 855 886 897 937 990 1124 1140 1130 1124 1131 1129 1083 105565.7 855 886 898 937 989 1125 1140 1131 1125 1132 1130 1083 105575.7 864 893 905 942 991 1125 1139 1132 1125 1132 1131 1083 105585.7 858 890 901 939 991 1125 1140 1132 1125 1132 1130 1081 105495.7 858 890 901 939 991 1125 1140 1132 1125 1132 1130 1081 1054105.7 865 895 902 939 992 1127 1140 1131 1125 1132 1130 1080 1056115.7 876 902 910 947 992 1120 1133 1128 1124 1130 1129 1084 1058127.7 860 886 896 936 989 1123 1140 1131 1125 1131 1130 1080 1050135.7 860 886 896 936 989 1112 1130 1130 1125 1129 1126 1081 1051145.7 882 911 920 953 988 1095 1117 1122 1125 1125 1122 1087 1053Pré-aquecimentoQueima∆Tmax 35 30 34 24 5 45 24 18 11 10 13 9 11Tpeça 863 895 905 942 990 1114 1134 1127 1123 1129 1127 1084 1056Tforno 945 - 945 - 1015 1120 - 1121 1123 1125 1110 1050 1033∆T -82 - -40 - -25 -6 - +6 0 +4 +17 +34 +23* Distância dos termopares <strong>em</strong> relação à pare<strong>de</strong> do forno.Figura 9. Variáveis medidas durante o Ensaio IV.Além do volume e da t<strong>em</strong>peratura, a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong>oxigênio dos gases <strong>em</strong>itidos pela chaminé <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong>fumos foi notavelmente reduzida <strong>em</strong> relação aos ensaiosanteriores. O volume e a t<strong>em</strong>peratura dos gases <strong>em</strong>itidospela chaminé <strong>de</strong> resfriamento foram mantidos constantes.Finalmente, o consumo específico para o produto processadofoi reduzido <strong>em</strong> 46 Kcal/Kg operando nestas condições,o que representa uma economia energética <strong>de</strong> 7,4%através do ensaio IV. Além do aumento da porcentag<strong>em</strong>mínima <strong>de</strong> oxigênio do forno, obteve-se uma ligeira reduçãoda pressão estática máxima na câmara.Do estudo realizado po<strong>de</strong>m ser extraídas as seguintesconclusões:• Ao analisar o perfil longitudinal <strong>de</strong> pressões no seiodo forno, observa-se a presença <strong>de</strong> um ponto <strong>de</strong>pressão máxima. Este ponto separa as zonas <strong>de</strong> influênciados ventiladores <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos e <strong>de</strong>resfriamento, e portanto, <strong>de</strong>termina dois sentidos <strong>de</strong>circulação dos gases no forno. A presença <strong>de</strong>ste pontocrítico possibilita a utilização da curva <strong>de</strong> pressões.• O valor máximo da pressão estática dos gases no seioda câmara do forno, para as condições e intervalos <strong>de</strong>pressões estudados, não <strong>de</strong>termina por si mesmo acirculação dos gases no seio do forno, e portanto n<strong>em</strong>a estabilida<strong>de</strong> e n<strong>em</strong> o consumo do mesmo.• Sob o ponto <strong>de</strong> vista da economia energética a localizaçãoótima do ponto <strong>de</strong> pressão máxima situa-se nazona <strong>de</strong> resfriamento. No entanto, se o gradiente <strong>de</strong>pressões entre a zona <strong>de</strong> resfriamento e <strong>de</strong> queima é<strong>de</strong>masiadamente elevado, a estabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> funcionamentodo forno é baixa. Portanto, a curva ótima <strong>de</strong>Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 31
pressões <strong>de</strong>verá favorecer o trânsito <strong>de</strong> gases da zona<strong>de</strong> resfriamento até a zona <strong>de</strong> queima, mas s<strong>em</strong> chegara <strong>de</strong>sestabilizar o funcionamento do forno.• A <strong>de</strong>terminação da porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio <strong>em</strong> umaregião da zona <strong>de</strong> resfriamento, próxima da zona <strong>de</strong>queima, informa a respeito do sentido <strong>de</strong> fluxo dosgases, sendo uma medida indicativa do perfil <strong>de</strong>pressões estáticas no seio do forno.• Ao incr<strong>em</strong>entar-se a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio nosgases <strong>de</strong> combustão, como conseqüência da entrada<strong>de</strong> ar da zona <strong>de</strong> resfriamento, verificou-se a possibilida<strong>de</strong><strong>de</strong> reduzir o ar primário <strong>de</strong> combustão. Dest<strong>em</strong>odo tornou-se possível diminuir o consumo mantendoa porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong> oxigênio <strong>em</strong> níveis a<strong>de</strong>quadospara manter a qualida<strong>de</strong> do produto e a estabilida<strong>de</strong>do forno 22,23 .• O <strong>de</strong>senvolvimento do trabalho permitiu incr<strong>em</strong>entaro nível <strong>de</strong> controle exercido sobre o forno, possibilitandoo conhecimento contínuo do volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong>combustão e dos volumes e t<strong>em</strong>peraturas dos gases<strong>em</strong>itidos pelas chaminés do forno. Deste modo, obtém-sevalores representativos das variáveis, permitindo-seo tratamento estatístico das mesmas.• A redução do ar <strong>de</strong> combustão permite a redução dapressão estática na câmara e inclusive o aumento doconteúdo mínimo <strong>de</strong> oxigênio (1,5%), como conseqüênciada entrada <strong>de</strong> ar a partir da zona <strong>de</strong> resfriamentoaté a zona <strong>de</strong> queima. Deste modo,mantendo-se a pressão estática e a porcentag<strong>em</strong> <strong>de</strong>oxigênio na câmara <strong>de</strong>ntro dos valores a<strong>de</strong>quados,s<strong>em</strong> modificar a curva <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas, tornou-sepossível reduzir o consumo energético <strong>em</strong> 46 Kcal/Kg(7,4%).• De acordo com o dados obtidos, a redução do consumoenergético po<strong>de</strong> ser obtida através da diminuiçãodas perdas <strong>de</strong> energia originadas pelas<strong>em</strong>issões das chaminés <strong>de</strong> aspiração <strong>de</strong> fumos.• O <strong>de</strong>senvolvimento do balanço energético, para ascondições <strong>de</strong> operação do forno permite estabelecer arelação teórica entre o consumo específico e o volume<strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão. Representando-se os valores experimentais<strong>de</strong>stas duas variáveis, obtém-se a mesma<strong>de</strong>pendência prevista pelo balanço. Por outro lado, osparâmetros experimentais, resultantes da equação <strong>de</strong>ajuste, são similares aos calculados teoricamente.Além disso, a representação gráfica e as equaçõesobtidas permit<strong>em</strong> realizar uma estimativa das perdaspor pare<strong>de</strong>s do forno, encontrando-se valores concordantescom outros estudos 9 .• D<strong>em</strong>onstrou-se que a otimização da curva <strong>de</strong> pressõese do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> combustão, reduzindo o volume <strong>de</strong> ar<strong>de</strong> combustão é um fator importante para reduzir oconsumo energético <strong>de</strong> um forno <strong>de</strong> monoqueima. Aaplicação <strong>de</strong>stas medidas permitiu, neste trabalho,uma economia energética global <strong>de</strong> 12%. Em conseqüência,qualquer esforço orientado neste sentidoaumentará o rendimento energético da operação <strong>de</strong>queima.Os princípios teóricos e a metodologia utilizada para arealização <strong>de</strong>ste trabalho po<strong>de</strong>m ser extrapolados aqualquer forno utilizado na fabricação <strong>de</strong> revestimentos.No entanto, a aplicação <strong>de</strong>sta medida está limitada por umsuprimento suficiente <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> resfriamento, para conseguiruma pressão parcial <strong>de</strong> oxigênio mínima no forno queTabela 4. Relação do ∆T do ar primário com a economia energética(Supondo 17,5 Nm 3 <strong>de</strong> ar primário por Nm 3 <strong>de</strong> gás consumido).∆T (ºC)% <strong>de</strong> Economia Energética50 3.0100 6.0150 8.9200 11.9250 14.9300 17.8Figura 10. Análise <strong>de</strong> perfis transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura. Diferença<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura das Peças-T<strong>em</strong>peratura.Figura 11. Análise <strong>de</strong> perfis transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura. Zona <strong>de</strong>pré-aquecimento.32 Cerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000
permita manter a qualida<strong>de</strong> do produto final e a estabilida<strong>de</strong>do forno. Por outro lado, <strong>de</strong>ve-se consi<strong>de</strong>rar que ao reduziro volume <strong>de</strong> ar <strong>de</strong> combustão, está se modificando tambémas características da chama e, ainda que neste trabalho nãosejam listados probl<strong>em</strong>as associados a este fenômeno, <strong>em</strong>outros trabalhos esse fato é citado como um fator limitante.v) Gradientes transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong> um fornoa rolos <strong>de</strong> monoqueima <strong>em</strong> diferentes condições <strong>de</strong> operaçãoOs atuais sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> medição <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong> fornosa rolos não fornec<strong>em</strong> informações suficientes a respeitodas diferenças transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura no seio dacâmara <strong>de</strong> queima, visto que só me<strong>de</strong>-se <strong>em</strong> um único pontodas seções <strong>em</strong> que estejam localizados.No Instituto <strong>de</strong> Tecnología Cerámica (ITC) <strong>de</strong>senvolveu-see patenteou-se um dispositivo e uma técnica <strong>de</strong>medida que permite <strong>de</strong>terminar as diferenças transversais<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong> qualquer seção <strong>de</strong> um forno a rolos 24 .Mediante este sist<strong>em</strong>a po<strong>de</strong>-se <strong>de</strong>terminar a incidência dascondições <strong>de</strong> operação do forno, sobre as diferenças transversais<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura.Os objetivos <strong>de</strong>ste trabalho po<strong>de</strong>m ser resumidos nosseguintes:• Analisar a informação que po<strong>de</strong> ser obtida com a<strong>de</strong>terminação dos gradientes transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura<strong>em</strong> distintos pontos <strong>de</strong> um forno a rolos;• Estudar a influência <strong>de</strong> distintas condições <strong>de</strong> operaçãodo forno sobre os perfis transversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura.O sist<strong>em</strong>a consiste <strong>de</strong> um rolo metálico, <strong>de</strong> diâmetroligeiramente inferior aos utilizados no forno, on<strong>de</strong> se <strong>de</strong>sejarealizar as medidas, <strong>em</strong> cujo o interior são instalados váriostermopares. O número e o tipo <strong>de</strong> termopares <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>exclusivamente da informação que se preten<strong>de</strong> obter e dointervalo <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong> trabalho 25 .A substituição <strong>de</strong> um rolo qualquer do forno por estepreenchido por termopares, permite <strong>de</strong>terminar a distribuiçãotransversal <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas <strong>em</strong> qualquer seção doforno. Devido a proximida<strong>de</strong> da parte ativa dos termoparescom a superfície inferior das peças, a t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong>terminadamediante este dispositivo está muito mais próxima at<strong>em</strong>peratura real da peça do que aquela medida pelo termopardo forno. Em função disso e por simplicida<strong>de</strong> naexposição, o valor médio das t<strong>em</strong>peraturas <strong>de</strong>terminadaspelo rolo sensorizado nos distintos pontos do forno seráchamada <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura média das peças (T peça).Os resultados obtidos <strong>de</strong> caráter geral, b<strong>em</strong> como ametodologia <strong>em</strong>pregada no presente trabalho, sãoaplicáveis a outros fornos <strong>de</strong> monoqueima. No entanto, aelevada influência que as peculiarida<strong>de</strong>s construtivas e <strong>de</strong>operação dos distintos fornos exerc<strong>em</strong> sobre as diferençastransversais <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura, faz<strong>em</strong> com que alguns dosresultados obtidos neste estudo não sejam diretamente extrapoláveisa todos os fornos <strong>de</strong> monoqueima.Determinação das diferenças transversais <strong>de</strong>t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong> distintas zonas do fornoUtilizando o rolo sensorizado <strong>de</strong>terminou-se a distribuiçãotransversal <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas nas distintas zonas doforno nas condições habituais <strong>de</strong> funcionamento. Para isso,o rolo foi situado justamente naqueles pontos que se encontramacima dos termopares inferiores <strong>de</strong> controle na curva<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas do forno. No momento da realização dasmedidas o forno estava realizando a queima <strong>de</strong> azulejos.Para situar o rolo no ponto <strong>de</strong> medida realizou-se amedição, <strong>em</strong> t<strong>em</strong>po real, da evolução da t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong>cada um dos termopares do mesmo. Inicialmente a t<strong>em</strong>peraturaaumenta rapidamente até alcançar um valorestável. Para obter a distribuição <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas <strong>em</strong> uma<strong>de</strong>terminada seção do forno, calculou-se a média das t<strong>em</strong>peraturas<strong>de</strong>terminada por cada termopar ao atingir a situação<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura estável, anteriormente <strong>de</strong>scrita.Na Tabela 3 apresentam-se os valores das t<strong>em</strong>peraturas<strong>de</strong>terminadas por cada termopar do rolo sensorizado nasdistintas zonas <strong>em</strong> que foi situado. Na mesma, indica-setambém as máximas diferenças <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura <strong>em</strong> cadazona (∆Tmáx), a t<strong>em</strong>peratura média das peças (T peça), at<strong>em</strong>peratura medida pelo termopar inferior do forno situada<strong>em</strong> cada uma das zonas (T forno) e a diferença entre estasduas últimas medidas (∆T).Diferenças entre a t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong>terminada pelos termoparesdo forno (T forno) e a média das peças (T peça)Na Figura 10 representam-se os valores <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturaregistradas pelos termopares do forno situados na parteinferior ao plano <strong>de</strong> rolos (T forno), a t<strong>em</strong>peratura média daspeças (T peça) e a diferença entre ambas para diferenteszonas transversais do forno (∆T). Na mesma, verifica-secomo, na zona <strong>de</strong> pré-aquecimento, a t<strong>em</strong>peratura médiadas peças é menor que a t<strong>em</strong>peratura ambiente. Esta diferençavai diminuindo a medida <strong>em</strong> que se avança à zona <strong>de</strong>queima, sendo praticamente nula na zona <strong>de</strong> máxima t<strong>em</strong>peratura.Chegando a esta zona, a peça se encontra a umat<strong>em</strong>peratura mais alta que o ambiente, dado que a curvaprogramada <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura passa a <strong>de</strong>crescer.A diferença <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas entre a peça e o ambienteestá associada à inércia térmica das peças a ser<strong>em</strong> aquecidase resfriadas sob elevadas velocida<strong>de</strong>s. Na Figura 10verifica-se que quando a velocida<strong>de</strong> <strong>de</strong> aquecimento ébaixa ou nula (zona <strong>de</strong> máxima t<strong>em</strong>peratura), a diferença<strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas entre a peça e o ambiente diminui.Distribuição transversal <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas na zona <strong>de</strong>pré-aquecimentoNa Figura 11 representam-se os perfis transversais <strong>de</strong>t<strong>em</strong>peratura correspon<strong>de</strong>ntes a várias seções da zona <strong>de</strong>pré-aquecimento do forno estudado, <strong>de</strong> acordo com osvalores indicados na Tabela 3. Na mesma, aprecia-se que aCerâmica Industrial, 5 (1) Janeiro/Fevereiro, 2000 33
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