PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL CAMBIO CLIMATICO - EELA

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EELA es un programa de COSUDE, ejecutado por Swisscontact y PRODUCE

PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL CAMBIO CLIMATICO - EELA

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INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - energia@int.gov.br

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Cooperação Internacional:

AGENCIA SUIZA PARA EL DESSARROLLO Y LA COOPERACIÓN - COSUDE

FUNDACIÓN SUIZA DE COPERACIÓN PARA EL DESARROLLO TECNICO - SWISSCONTAC

FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA, APLICAÇÕES E TECNOLOGIAS ESPACIAIS - FUNCATE

Instituição Executora:

INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA – INT

Coordenação:

Joaquim Augusto Pinto Rodrigues

Equipe Executora:

Mauricio F. Henriques Jr.

Marcelo Rousseau Valença Schwob Roberto Segundo Henrique Castro Tapia Rosana Medeiros de Novais

Márcio Azevedo Guimarães

Apoio Institucional:

SERVIÇO DE APOIO ÀS MICRO E PEGUENAS EMPRESAS - SEBRAE-RN

ASSOCIAÇÃO DOS CERAMISTAS DO VALE DO CARNAÚBA - ACVC

ASSOCIAÇÃO NACIONAL DE CERÂMICA VERMELHA - ANICER

Agradecimentos:

Os autores agradecem as empresas que disponibilizaram suas instalações para a realização de ensaios específicos e pelo fornecimento de informações. Foram elas: Cerâmica JRA, Cerâmica Tavares, Cerâmica União I, Cerâmica União II e Cerâmica Acari.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO... 4

2. ANTECEDENTES ... 4

3. DESCRIÇÃO DOS FORNOS ... 5

3.1. Fornos Caipira ... 5

3.2. Fornos do Tipo Abóboda ou Redondo ... 12

3.3. Comparativo Forno Caipira x Forno Abóboda (Redondo) – Comentários Finais e Conclusões ... 14

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1. INTRODUÇÃO

Este estudo visa comparar a produção de peças cerâmicas em fornos do tipo caipira e em fornos do tipo abóboda (redondo), buscando estabelecer suas principais virtudes e/ou problemas, incluindo, além de suas principais características construtivas e operacionais, alguns aspectos ligados aos seus desempenhos energéticos. Esse estudo se insere Projeto “Eficiência Energética nas Pequenas Cerâmicas – EELA”, dentro de acordo de cooperação firmado com a Fundación Suiza de Cooperación para el Desarrollo Tecnico - SWISSCONTAC e a Agencia Suiza para el Dessarrollo y la Cooperación – COSUDE, tendo como executor técnico o INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA – INT/MCTI.

Este trabalho se tornou possível a partir da realização de testes e de medições em vários fornos instalados em indústrias cerâmicas na região do Seridó, no Rio Grande do Norte. oportunidade na qual foram realizados testes e medições diversas durante a produção.

2. ANTECEDENTES

O mercado de produtos de cerâmica vermelha tem evoluído bastante nos últimos anos. Novos produtos têm sido desenvolvidos, como também a qualidade vem sendo melhorada, movimento impulsionado pelos consumidores que têm sido mais exigentes ao desenvolver seus projetos e construções. O setor produtivo tem percebido essa mudança no mercado e, cada vez mais, tem se preocupado em melhorar seus produtos, além de também buscar redução de custos nos processos e obter maior produtividade. Por outro lado, dentro do setor cerâmico, ocorre uma concorrência natural entre empresas numa dada região ou mesmo entre regiões, o que é natural, mas também entre produtos fabricados a partir de outros materiais, fato que demonstra a necessidade de o setor de tornar mais competitivo.

Dessa forma, tecnologias que proporcionem maior eficiência energética, maior produtividade e melhor qualidade dos produtos têm interessado bastante as empresas produtoras. Esse movimento tem sido percebido na região do Seridó, região central de atuação do Projeto “Eficiência Energética nas Pequenas Cerâmicas – EELA” no Brasil. Através de uma pesquisa em 90 empresas na região, produtoras principalmente de telhas (15,8 x 1,0 x 50,3 cm), onde há uma ampla predominância de fornos do tipo caipira, nota-se um interesse

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muito grande na melhoria da qualidade dos produtos e na redução de custos de um modo geral. Neste sentido, fornos de maior rendimento energético, como os do tipo abóboda (ou redondo), em substituição aos tradicionais fornos caipira, têm despertado grande interesse.

3. DESCRIÇÃO DOS FORNOS

3.1. Fornos Caipira

Os fornos do tipo caipira ainda são amplamente empregados em várias regiões no Brasil. Têm concepção bastante simples, formato de caixa (retangular), fornalha na parte inferior, onde o combustível (lenha) é queimado em 6 ou 8 bocas (Figuras 1, 2 e 3). Os gases de combustão seguem uma trajetória ascendente, passando pelas peças que estão sendo cozidas, e atingem o topo, onde não há cobertura de alvenaria (abóboda) nem chaminé. Ou seja, são fornos abertos no topo, onde a cada queima somente uma cobertura móvel de peças prontas é colocada sobre os produtos que estão sendo queimados.

Estes fornos caipira são bastante empregados para a queima de telhas, e de tijolos, numa proporção menor. A capacidade se situa entre 25.000 a 38.000 peças por batelada, equivalente a um carregamento médio de cerca de 42 e 60 t por queima. As dimensões são variáveis, podendo o comprimento ser entre 7,4 e 9,0 m, a largura de 2,5 a 4,0 m e a altura de 2,5 a 4,0 m. Somente no Seridó existem mais de 400 fornos caipira.

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Figura 2 – Conjunto de fornos caipira construídos lado a lado.

Figura 3 – Forno caipira sendo alimentado com lenha.

As peças são colocadas no interior do forno em camadas. Geralmente as duas ou três camadas (ou fileiras) da parte inferior (acima da grelha ou crivos) são de tijolos furados (com furos na vertical). Depois são colocadas mais três ou quatro camadas de telhas na posição vertical, seguidas de mais uma ou duas camadas de tijolos. Por fim, sobre a carga a ser queimada, é feita uma cobertura com telhas prontas para abafamento do forno (Figuras 4, 5, 6 e 7).

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Figura 4 – Exemplo de disposição de peças por camadas no interior de forno caipira.

Figura 5 – Vista do interior do forno caipira – base de tijolos sobre os crivos.

Figura 6 – Vista do carregamento de forno caipira (3ª. e 4ª. camadas de telhas a mostra e na altura do piso do galpão).

9ª fileira: Tijolos 960 peças

7ª fileira: Telhas 8.232 peças

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Figura 7 – Cobertura de telhas sobre a carga.

Pela sua simplicidade, estes fornos caipira apresentam um baixo custo de construção e também uma operação relativamente barata, que reflete o baixo custo com pessoal e com combustível empregado nas queimas. Por outro lado, são fornos com uma concepção de baixíssima eficiência energética. O consumo médio de lenha pode se situar entre 0,5 e 2,0 metros estéreos (st) por milheiro (média de 0,9 st/milheiro), de acordo com o tipo de produto, teor de umidade no material enfornado, umidade e tipo de lenha, e das condições de queima. Na média pode-se considerar um consumo específico de 1.000 kcal/kg de produto sinterizado, ou seja, para produtos com boa qualidade.

Nota-se que o consumo de lenha de 0,5 st/milheiro é aparentemente baixo, mas não possibilita uma produção com boa qualidade, resultado de uma distribuição deficiente de calor nas diversos regiões do forno. Assim, a produção de peças de primeira qualidade é muito baixa, podendo se situar somente entre 5 e 20%. Excepcionalmente, em fornos bem controlados, pode atingir até 35%. Muitas peças são perdidas por falta de sinterização completa ou por quebras. Boa parte da produção pode apresentar coloração “chocolate”, indicando que a temperatura da região onde estavam o forno (na parte superior e nos cantos) não permaneceu na temperatura ideal de queima por algumas horas. Ocorre que, quando a queima é encerrada, as peças colocadas nas camadas superiores do forno geralmente ainda estão num patamar de temperatura muito baixo, indo atingir temperaturas mais altas somente depois de algumas horas, e mesmo assim abaixo do ideal para a plena sinterização das peças (que seria em torno de 850°C ou mais) (Figura 8).

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9 de 16 Queima com Ventoinha

0 200 400 600 800 1000 1 6 :0 0 2 0 :0 0 0 0 :0 0 0 4 :0 0 0 8 :0 0 1 2 :0 0 1 6 :0 0 2 0 :0 0 0 0 :0 0 0 4 :0 0 0 8 :0 0 1 2 :0 0 1 6 :0 0 Tempo (hora:minuto) T e m p e ra tu ra

Entre 3ª e 4ª Fileiras, Esquerda Entre 3ª e 4ª Fileiras, Meio Entre 3ª e 4ª Fileiras, Direita Entre 5ª e 6ª Fileiras, Esquerda Entre 5ª e 6ª Fileiras, Direita Gases no topo do forno Início da sinterização (850ºC)

Obs.: As posições esquerda e direita se referem à vista do forno pelo lado do carregamento. Nota-se que as curvas que indicam os termopares localizados nas camadas superiores do forno (em vermelho e marrom) se encontram com defasagem de 4-5 horas com relação às curvas em azul (camadas

inferiores), ou seja, após ao término da queima. Além disso, as peças nas camadas superiores ficam por menos de duas horas num patamar acima de 850°C, o que é insuficiente.

Figura 8 – Curva típica de queima num forno caipira.

O ciclo de queima costuma ser relativamente curto. Pode-se ter um esquente (preaquecimento) de 2 a 12 horas, de acordo com a umidade da carga e da lenha, queima de 7 a 12 horas (também de acordo com a lenha), e resfriamento entre 20 e 24 horas. Assim, um ciclo completo deve se situar na média em 38 horas.

Na Figura 9 é mostrada uma distribuição teórica da qualidade das peças produzidas no interior de um forno caipira, com base em testes realizados pelo CEPIS e INT em 2010.

Figura 9 – Modelo da qualidade de peças obtidas de acordo com a região no interior de um forno caipira. Fonte: CEPIS (2010).

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As Figuras 10, 11 e 12 mostram peças com problemas de qualidade, e a Figura 13 mostra pilhas de material descartado por quebra ou com defeitos.

Figura 10 – Peças com coração negro no interior.

Figura 11 - Peças defeituosas ou empenadas.

Figura 12 - Peças com coloração “chocolate” ou não sinterizadas plenamente (as duas telhas à direita), mas que mesmo assim, são comercializadas ou requeimadas numa outra

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Figura 13 – Pilhas de material descartado.

O fato de o forno caipira ser aberto no topo traz também uma dificuldade adicional para recuperar calor da queima ou da fase de resfriamento. Entretanto, essa recuperação de calor é possível, embora vá exigir a construção de dutos externos junto à parede lateral e a montagem de canais internos quando da colocação das peças para queima no interior do forno. Como a quantidade de calor a ser recuperado não deverá ser muito grande, para se garantir viabilidade econômica, a estufa de secagem que irá receber o calor necessariamente deverá estar próxima a forno. Alternativamente a esse tipo de recuperação, alguns projetistas vêm desenvolvendo modelos para a cobertura de fornos com uma abóboda, criando chaminés nas laterais do forno. No entanto, esse esquema exigirá uma boa sustentação mecânica (colunas) e ainda não está posto em prática.

Com relação à lenha, os tipos que são empregados nos fornos caipira são três: 1) a algaroba, que tem permissão dos órgãos ambientais para ser usada; 2) a lenha de manejo florestal, que sustenta somente algo entre 20 e 30% da demanda total do setor cerâmico no Seridó); e a lenha nativa. A lenha da poda de árvores, de cajueiro e outras biomassas residuais, dada a sua menor densidade, não funcionam bem nestes fornos caipira, sendo preteridas pelas empresas. A Figura 14 ilustra a queima em fornos caipira, notando que essa pode ter o auxílio de ar injetado através de ventoinha (“ventulina”). Esta prática, segundo ensaios realizados pelo INT, pode conferir uma economia de cerca de 16% no uso da lenha com relação à produção total (ou quase 30% com relação aos produtos plenamente sinterizados), além do que a proporciona um aumento da produção de produtos de primeira qualidade.

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Figura 14 – Queima de lenha em forno caipira.

3.2. Fornos do Tipo Abóboda ou Redondo

Os fornos do tipo abóbada ou redondo apresentam uma estrutura constituída por uma câmara circular fechada, com piso de tijolos perfurados (crivos) de modo a permitir a passagem descendente dos gases de combustão para os dutos subterrâneos de tiragem até a chaminé. Possuem duas portas para carregamento das peças localizadas em lados opostos, e seis bocas de queima a cerca de 1m do piso com cinzeiro parte abaixo destas bocas. As dimensões dos fornos podem variar, sendo o diâmetro de 8 a 11m, a altura de 1,9 a 2,2m na parede lateral a 3,0-3,8m no topo da abóboda. Vide Figuras 15, 16 e 17.

Figura 15 – Vista lateral de forno caipira. Fonte: Más (2006).

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Figura 16 – Fornos redondo (a esquerda – fase de queima; a direita – fase de resfriamento ).

Figura 17 – Forno redondo com suporte de ar de combustão injetado por ventoinha.

Os fornos do tipo redondo têm capacidade de produção por batelada superior. Podem produzir entre 55.000 e 80.000 peças, equivalente a 74 e pouco mais de 100 toneladas, de acordo com o tipo do produto e dimensões do forno.

A qualidade das peças obtidas costuma ser superior, com maior quantidade de peças de primeira qualidade (maior que 50%), e um índice muito baixo de perdas por quebras e de peças com defeito. Todo esse processo é ajudado porque normalmente esses fornos recebem produtos com teor de umidade controlado, já que normalmente acoplado ao forno existe a secagem em estufas. Além disso, o calor se distribui de forma mais homogênea, não existindo pontos frios em cantos, a exceção da parte inferior do forno que pode não atingir a temperatura desejável de queima, gerando produtos de segunda qualidade.

O ciclo completo de queima também tende a ser maior. O preaquecimento pode durar cerca de 6 a 8 horas, a queima entre 36 e 48 horas, e o resfriamento é bastante lento, chegando até a 3 dias para desenfornamento (vide curva de queima na Figura 18). Entretanto, uma parcela do calor contido nas peças queimadas e na estrutura do forno pode ser

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recuperada na forma de ar quente a ser utilizado em estufas de secagem. Outra prática também possível, já adotada em alguns produtores, é a recuperação de calor durante a queima para o preaquecimento de forno vizinho, já carregado e na fase de esquente. No caso, os gases de exaustão quentes ao sair do forno não são dirigidos para a chaminé, mas sim direcionados para esse segundo forno na fase de aquecimento. Essa manobra é feita através de abertura e fechamento de gavetas (dampers) e da extração dos gases quentes do forno em queima através de exaustor (que pode ser fixo ou móvel).

Estes fornos apresentam um consumo específico da ordem de 0,5 a 1,2 st/milheiro com valor médio de 0,8 st/milheiro, equivalente a cerca de 815 kcal/kg.

Figura 18 – Curva de queima de forno abóboda ou redondo.

3.3. Comparativo Forno Caipira x Forno Abóboda (Redondo) – Comentários Finais e Conclusões

As tabelas 1 e 2 seguintes apresentam uma síntese dos principais parâmetros técnicos e econômicos dos fornos caipira e abóboda (redondo). Interessante notar que, aparentemente, comparando-se os consumos de lenha em estéreos por milheiro e os respectivos custos em reais, pode-se achar que o forno caipira seria mais econômico e mais eficiente. Isto não é verdadeiro, pois parte da carga enfornada é perdida, como também tem qualidade inferior e, conseqüentemente, gera uma receita menor. Isso pode ser notado no custo para se obter um milheiro de peças de primeira qualidade, assim como na receita que

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pode ser obtida numa única queima num forno redondo. Produzir um milheiro em um forno caipira custa o dobro do que num forno redondo. Neste último, a cada queima, pode-se gerar uma receita de 2,3 vezes maior que num forno caipira.

Com respeito ao consumo de energia há outro risco de interpretação equivocada. Poder-se-ia imaginar que o consumo de lenha no forno caipira é mais favorável (0,64 st/milheiro) em relação ao consumo no forno redondo (1,1 st/milheiro). No entanto, estes valores não são comparáveis, uma vez que a produção em milheiros num e noutro forno é distinta, isto é, é composta por produtos diferentes. A unidade ideal de comparação está expressa em kcal/kg de material cozido, onde se nota a vantagem do forno redondo (consumo de energia 16% menor).

Portanto, o forno abóboda ou redondo reúne muitas vantagens sobre o forno caipira. Em suma, possibilita uma operação mais controlada e uniforme, permite recuperação de calor constante (no caso de se ter mais de um forno), menor consumo de lenha por massa enfornada ou cozida, maior relação de produto de primeira qualidade, menor índice de quebras e perdas, e maior receita por queima.

Tabela 1 – Principais parâmetros técnico-econômicos

Alguns Parâmetros Técnico-econômicos Forno Caipira Forno Abóboda

Produção média p/ queima (peças) 32.000 82.000

Produção mensal (peças) 128.000-160.000 210.000-300.000

Capacidade média de produção em massa por queima (t)

39 94

Consumo de lenha (st/milheiro) 0,64 1,1

Consumo específico de energia (kcal/kg) 998 836

Eficiência Térmica c/ relação à produção sinterizada (%) (peças de 1ª.)

18,0 22,5

Produção de telhas de 1ª. (%) 5 a 35 (média de 15) > 50

Produção de telhas de 2ª. (%) 57 a 77 <50

Perdas e quebras (%) 7,5 <1

Duração do ciclo completo (h) (1) 38 96

Duração da queima (h) 8-12 36-40

Custo c/ a lenha (R$/milheiro enfornado)

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16,00 28,00

Custo c/ a lenha para produção boa (R$/milheiro de 1ª.)

107,00 56,00

Receita estimada total por queima (R$)

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~6.500,00 ~15.000,00

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considera a venda total, e seguintes preços: telhas de primeira: R$ 230,00/milheiro; telhas de segunda: R$180,00/milheiro; tijolos: R$ 330,00/milheiro; lajota: R$ 350,00.

Tabela 2 – Alguns parâmetros operacionais

Outros parâmetros Forno Caipira Forno Abóboda

Emissão de fumaça / fuligem na ambiente de produção

sim não

Exposição do foguista à radiação/calor excessiva baixa

Exposição dos empregados ao calor no descarregamento

média média

Recuperação de calor Difícil e pouco calor Fácil e muito calor

Controle de temperatura Mais difícil Mais fácil

Versatilidade para produção Não há Possível

Versatilidade para queima Mais difícil Fácil (lenha, cavaco etc)

Nº de empregados para queimar 100 t de produto

2 simultâneos 2 (1 por turno)

Preço do forno (R$) 25.000-30.000 60.000-90.000

Necessidade de complementos Não tem Tem – chaminé,

exaustor, secador.

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MÁS, E. (2006). A queima cerâmica forno a forno. Pólo Produções Ltda., Criciúma-SC. CEPIS (2010). Melhoria da qualidade das telhas dos fornos caipira. Centro de Produção Industrial Sustentável, Campina Grande-PB.