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CARACTERÍSTICAS DE AUTO-IGNIÇÃO E QUEIMA DE MADEIRA

A. Castro (1), J.A. Carvalho Jr.(1), F.S. Costa (2), D. Sandberg (3)

(1) Universidade Estadual Paulista/Campus de Guaratinguetá, Guaratinguetá, SP (2) Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Cachoeira Paulista, SP (3) USDA Forest Service, Pacific Northwest Research Station, Corvallis, Oregon

Palavras-chave: combustão, madeira, ignição, incandescência, biomassa.

Resumo

A combustão de biomassa em queimadas responde por uma parcela significativa da emissão de poluentes na atmosfera, contribuindo para o aquecimento global, produção de fumaça e particulados, causando problemas à saúde das populações, piorando as condições de visibilidade, promovendo o desequilíbrio ecológico com redução da biodiversidade, e causando danos aos ciclos biogeoquímicos (Crutzen e Andreae, 1990). Queimadas intensas no arco de desflorestamento da Amazônia ocorrem anualmente, de maio a setembro, visando a preparação do solo para o uso em atividades agropecuárias (Carvalho et al, 2001). No entanto, os estudos realizados não se detiveram ainda nas características diferenciadas da vegetação, buscando determinar como cada espécie se comporta durante as diversas fases da combustão (Costa et al., 2000). As diferenças de constituição física, porosidade e composição afetam significativamente as estimativas de perda de massa durante a queima (Saastamoinen e Richard, 1996). A fim de se calcular com precisão a biomassa queimada convertida em gases poluentes, é preciso identificar a parcela de massa correspondente à umidade de cada espécie, além das diversas características físicas das madeiras observadas (Kanury, 1994).

O processo de combustão de madeira apresenta diversas fases: secagem, emissão de voláteis, ignição, queima com chama, extinção da chama e incandescência (Kanury, 1977).

O objetivo deste trabalho é investigar experimentalmente os efeitos do teor de umidade sobre as características de secagem e queima de amostras de madeira. São determinados os tempos de auto-ignição, tempos de queima com chama, tempos de incandescência, taxas de consumo mássico e taxas de consumo percentual empregando-se amostras de pinho comum, de árvores recém derrubadas, submetidas a uma taxa de aquecimento constante. Trabalhos semelhantes foram desenvolvidos no passado por Tinney (1965) e Trabaud (1976).

Para secar e queimar amostras de 30 mm de diâmetro e 100 mm de altura, com teores de umidade controlados em estufa, construiu-se um aquecedor cilíndrico, de 100 mm de diâmetro, envolvido por duas resistências em colar com potência de 1000 W cada. Para reduzir perdas por radiação, o aquecedor foi circundado por um tubo de aço de 200 mm de diâmetro, recoberto por folhas de alumínio. O equipamento ficou constituído deste aquecedor e uma balança digital, com precisão ± 0,005 g e saída serial, acoplada a um computador portátil. O aquecedor era acionado por um controlador de temperaturas ligado a um termopar em seu interior, fora da região da chama.

Os testes foram realizados com a medição da massa instantânea da amostra durante 25 minutos, com medidas registradas a cada segundo. O aquecedor era mantido ligado durante o teste, simulando-se assim condição de queima existente durante um incêndio.

Selecionando-se os dados adquiridos nos testes a cada 10 segundos, obtiveram-se curvas da massa normalizada das amostras conforme a Figura 1, e curvas da taxa de consumo percentual instantâneo das amostras em função do tempo ((-100/m)dm/dt [(g/s)/g]), conforme Figura 2, para teores de umidade de 0, 10, 20, 30, 40 e 50 %. A massa normalizada foi definida como m/mo, onde m era a massa instantânea e mo a massa inicial. A Figura 3 mostra as curvas de tempo de ignição, tig, e do tempo até fim da queima com chama, tch, para diversos teores de umidade. Pode-se também verificar que o período de queima com chama, dado pela diferença entre as curvas de tig e tch, atinge um máximo entre teores de umidade de 20 a 30%.

Figura 1 - Evolução de massa normalizada, m/mo, versus tempo (mo = massa inicial). Figura 2 - Curvas de taxa de consumo percentual instantâneo de massa (%/s). Figura 3 - Curvas de tempos de ignição, tig, e do fim da queima com chama, tch, em função do teor de umidade.


A umidade influencia todas as fases da queima das amostras aquecidas a uma taxa constante. Embora o tempo total de secagem e de queima, até uma dada percentagem da massa inicial, não seja afetado significativamente pelo teor de umidade, a fração consumida e a duração de cada fase são modificados.

Os tempos de auto-ignição aumentam exponencialmente e os tempos até extinção da chama aumentam de forma quadrática com o teor de água da amostra. O período de queima com chama é máximo para amostras contendo entre 20% e 30% de umidade.

Diferenças em porosidade e composição afetam os resultados, mesmo com amostras de uma mesma seção de tronco. Amostras com teores altos de água apresentam maior dispersão nos tempos de ignição, devido aos efeitos sobre a saída de umidade e voláteis causados pelas heterogeneidades do material. A fração de massa consumida durante a secagem é maior que a fração de massa consumida na queima com chama, para amostras com umidade maior que 30%. A fração de massa consumida durante a incandescência chega a cerca de 20% da massa inicial no caso de amostras secas e apresenta redução linear com o aumento do teor de água.

A taxa de consumo percentual instantâneo toma um perfil parabólico durante a queima com chama, atingindo valor máximo na extinção da chama, enquanto a variação de massa da amostra é máxima durante a ignição. As taxas de consumo percentual durante a secagem podem ser da mesma ordem que durante a incandescência e, em média, de 1/3 a 1/2 das taxas de consumo durante o período com chama. Estudos com outras espécies de madeira estão sendo realizados para fins comparativos.


Agradecimentos: Os autores agradecem à FAPESP pelo auxílio financeiro (proc. 99/10363-4 e 00/04723-7).

Referências:

Carvalho, J.A.; Costa, F.S.; Veras, C.A.G.; Sandberg, D.V.; Alvarado, E.C.; Gielow, R.; Serra Jr., A.M.; Santos, J.C., Combustion Characteristics of Rainforest Clearing Experiments Conducted in Alta Floresta, Brazil, Journal of Geophysical Research, in print, 2001. Costa, F.S.; Santos, J.C.; Veras, C.A.G.; Carvalho, J.A.; Sandberg, D.V.; Gielow, R.: Medidas de Temperatura em Troncos durante Queimadas, VIII Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas, Porto Alegre, paper s05p16, 10 páginas, 2000. Crutzen, P.J., Andreae, M.O., Biomass Burning in the Tropics: Impact on Atmospheric Chemistry and Biogeochemical Cycles, Science, 250, 1669, 1990. Kanury, A.M., Ignition of Cellulosic Solids: Minimum Pyrolysate Mass Flux Criterion, Combustion Science and Technology, 16, 89, 1977. Kanury, A.M., Combustion Characteristics of Biomass Fuel, Combustion Science and Technology, 97, 469-491, 1994. Saastamoinen, J.; Richard, J.R., Simultaneous Drying and Pyrolysis of Solid Fuel Particles, Combustion and Flame, 106, 288-300, 1996. Tinney, E.R., The Combustion of Wooden Dowels in Heated Air, 10th Symposium International on Combustion, 925-930, 1965. Trabaud, L., Inflammabilité et Combustibilité des Principales Espèces des Garrigues de la Région Méditerranéenne, Ecologia Plantarum, 11(2), 117-136, 1976.