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Universidade de Aveiro

Ano 2008 Departamento de Ambiente e Ordenamento

Pedro Miguel Caldeira Ideias

Influncia da matria voltil na combusto de biomassa em leito fluidizado

Universidade de Aveiro

Ano 2008 Departamento de Ambiente e Ordenamento

Pedro Miguel Caldeira Ideias

Influncia da matria voltil na combusto de biomassa em leito fluidizado

dissertao apresentada Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, realizada sob a orientao cientfica do Prof. Doutor Lus Antnio da Cruz Tarelho, Professor Auxiliar, e co-orientao do Prof. Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro.

Dedico este trabalho aos meus pais, Carlos e

Fernanda, sempre presentes; minha irm Ins

e tambm Maryline, por todo o apoio.

Um espinho de experiencia vale mais que uma

selva de inteligncia Lus Sancho

o jri

presidente Professor Doutor Antnio Jos Barbosa Samagaio

Professor Associado do Departamento de Ambiente e

Ordenamento da Universidade de Aveiro

Professor Doutor Lus Antnio da Cruz Tarelho

Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e


(orientador)

Professor Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos

Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e


(co-orientador)

Professor Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho Professor Associado da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto

Agradecimentos

Agradeo ao Professor Doutor Lus Antnio da Cruz Tarelho, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro (orientador), pela disponibilidade, dedicao, ensinamento, instruo, partilha de experincia e auxlio prestado durante toda a durao do presente trabalho e ao Prof. Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro (co-orientao), pela disponibilidade, ensinamento e orientao. Quero tambm fazer notar um agradecimento muito forte ao Daniel dos Santos Flix das Neves, Mestre em Energia e Gesto do Ambiente, actualmente a fazer Doutoramento na rea da gaseificao, por toda a ajuda e auxlio prestados realizao deste trabalho. No podia de modo algum, deixar de agradecer tambm minha famlia, pais e irm, pelo apoio que desde sempre me vm prestando, no deixando nunca de me apoiar nas minhas decises. Quero tambm agradecer Maryline o apoio a dedicao e compreenso que nunca me faltaram, que desde o incio de tudo esteve sempre ao meu lado. Gostaria tambm de agradecer a todos os professores, que ao longo do meu percurso acadmico, me apoiaram e aconselharam, no s a nvel escolar, mas tambm a nvel pessoal. Um agradecimento especial aos amigos que fiz para a vida, durante todos estes anos de jornada acadmica e pela forma como sempre nos mantivemos unidos, em todos os momentos por que passmos.

Palavras-chave

Biomassa, combusto, pirlise, desvolatilizao, matria

voltil, leito fluidizado borbulhante.

Resumo

O presente trabalho surge no sentido da compreenso da

influncia que a matria voltil tem na combusto de

biomassa em leito fluidizado. Para a compreenso deste

fenmeno, foi implementado um modelo de desvolatilizao,

um modelo de balano mssico e um modelo de balano de

energia. Foi tambm construda uma base de dados sobre

pirlise, visto este ser o processo fulcral nas reaces de

combusto. A base de dados surge com o objectivo de tentar

perceber, como evoluem os produtos derivados de pirlise,

em funo dos diferentes parmetros operatrios. Esta

apresenta-se como uma ferramenta essencial para efeitos de

modelizao da combusto. Foram realizadas experincias de

combusto no reactor piloto de leito fluidizado, com pellets de

resduos florestais e co-combusto de lama biolgica com

carvo. Destas retiraram-se elaes relativamente

distribuio da combusto da biomassa e da influncia que o

teor em matria voltil tem na combusto de biomassa. Foi

tambm construdo um modelo de balano de massa e de

energia, para se perceber como se faz a distribuio da

combusto da biomassa.

Como culminar de todos estes estudos levados a cabo,

verificou-se que a matria voltil tem uma influncia muito

significativa na combusto de biomassa em leito fluidizado

borbulhante. Isto devido ao facto de aproximadamente 70%

da massa do combustvel ser matria voltil, o que leva a que

a grande maioria do calor libertado acontea no freeboard.

Esta caracterstica especfica dos combustveis, com elevado

teor de matria voltil, faz com que na fase densa no reactor,

o leito, exista uma fraco reduzida de combustvel a ser

oxidado, ou seja, pouco calor a ser libertado, quando

comparado com um combustvel como o carvo com um baixo

teor em matria voltil. Assim sendo, as superfcies de

transferncia de calor, devem ser preferencialmente

colocadas na zona inferior do freeboard onde a libertao de

calor mais intensa. A altura do leito pode tambm ser

reduzida a uma altura mnima, que permita manter um

reservatrio de calor para garantir que as reaces qumicas

continuem estveis e reduzir, assim, a produo de resduos a

partir do leito.

Keywords

Biomass, combustion, pyrolysis, devolatilization, volatile matter, bubbling bed combustor.

Abstract

The present work gives some extra comprehension about the

volatile matter influence during biomass combustion in the

bubbling fluidized bed (BFB) combustors.

In order to add a better understanding on this phenomena it

was implemented a mass and energetic balance model to

the BFB as well as desvolatilization one for the solid fuel

particles. It was also build a database about biomass

pyrolysis. This topic represents in the combustion process an

important role. Thus, this database appears to be the primary

goal on the derived products evolution of biomass pyrolysis

and studies the main operational parameters variation. From

the theoric point of view, the database presented is a

fundamental tool on the combustion process and on the

modeling effects. Moreover, from the practical one it was

made some experiments on the experimental facility of the

bubbling fluidized bed reactor.

The first experiment defined how the energy and gas

products distribution were made in the combustor. Therefore,

it was biomass residues called pellets.

In the second experiment a different muds proportion

mixture from wastewater treatment and coal was used. This

aimed to understand the distribution profile temperature and

gas products was made thought the variation of volatile

matter content.

Concluding, one verified that the volatile matter has got great

relevance in the biomass combustion. This is due to the fact

that the biomass is composed by 70% of volatile matter. This

characteristic influences the biomass combustion because

the major percentage of heat that is being release in

homogeneous phase, on the bottom of the freeboard zone.

As a result, there exists a low combustion fraction of the

material in the bed. Therefore, the main heat surfaces must

be installed in the bottom zone of the freeboard, where the

heat produced is more intensive. The bed height can be also

diminished to a height that might sustain a heat reservoir to

stabilize the chemical reactions, so the residues production

can be reduced.

ndice

ndice i

ndice de tabelas i

ndice de figuras iii

Nomenclatura v

Captulo 1. 1

1.1. Introduo 1

1.1.1. Disponibilidade da biomassa para fins energticos 3

1.2. Oportunidades da biomassa para fins energticos 5

1.3. Combusto da biomassa em leito fluidizado 5

1.3.1. Caractersticas de combusto 7

1.3.1.1. Composio de biomassa 8

1.3.1.2. Poder calorfico da biomassa 8

1.3.1.3. Emisso de poluentes 9

1.3.2. Problemas associados combusto da biomassa em leito fluidizado 9

1.3.3. Vantagens e desvantagens da combusto de biomassa em leito fluidizado 11

1.4. Objectivo 12

Captulo 2. 15

2.1. Fenmenos associados combusto de biomassa: secagem, pirlise, desvolatilizao e combusto 15

2.2. Aquecimento da partcula 16

2.2.1. Modelos de aquecimento 17

2.2.2. Modelo adoptado 18

2.3. Secagem 20

2.4. Pirlise 20

2.4.1. Desenvolvimento de uma base de dados sobre pirlise/desvolatilizao de biomassa 23

2.4.1.1. Apresentao e discusso dos resultados de dados sobre a influncia da temperatura na pirlise de biomassa 26

2.4.1.2. Produo de vrios compostos volteis 29

2.4.1.3. Poder calorfico do carbonizado, gases e alcatres 30

2.4.1.4. Contedo em carbono, hidrognio e oxignio do carbonizado e alcatres 32

2.4.1.5. Evoluo de rcios para as vrias espcies volteis 33

2.4.2. Modelos de pirlise 34

2.4.3. Modelo adoptado 37

2.4.4. Resultados do modelo 39

2.4.5. Comparao dos resultados com a base de dados sobre produtos de pirlise 42

2.5. Formao do carbonizado 44

2.6. Combusto dos volteis 44

Captulo 3. 47

3.1. Infra-estrutura experimental 47

3.2. Alimentao de biomassa 48

3.3. Sistema de arrefecimento 48

3.4. Caracterizao de combustveis 49

3.4.1. Caracterizao fsico-qumica 49

3.5. Frequncia de ocorrncia em massa 51

3.6. Leito do reactor 52

3.7. Calibrao dos alimentadores de biomassa 52

3.7.1. Calibrao com sensor de carga 54

3.8. Alimentao de ar 57

Captulo 4. 59

4.1. Balano mssico 59

4.1.1. Composio ponderal do combustvel 59

4.1.2. Composio do ar de combusto 60

4.1.3. Consumo estequiometrico de oxignio 60

4.1.4. Excesso de ar 61

4.1.5. Equaes de clculo do balano mssico 62

4.2. Ensaios experimentais 62

4.3. Resultados experimentais e anlise de dados 62

4.3.1. Combusto de pellets de resduos florestais 62

4.3.1.1. Perfis axiais de temperatura e presso 63

4.3.1.2. Perfis axiais de concentrao de gases 64

4.3.1.3. Efeito do excesso de ar no perfil de temperatura e composio nos gases de exausto 68

4.3.2. Co-combusto de lamas biolgicas e carvo 70

4.3.2.1. Perfis axiais de temperatura e presso 71

4.3.2.2. Perfiz axiais de concentrao de gases 71

Captulo 5. 73

5.1. Modelo de balano mssico 73

5.1.1. Descrio do modelo 74

5.1.2. Modelo de balano mssico Vs valores experimentais 82

5.2. Balano de energia 84

5.2.1. Transferncia de calor em leitos fluidizados 86

5.2.2. Perfis axiais de temperatura no reactor obtidos pelo balano de energia 95

Captulo 6. 99

6.1. Concluses 99

6.2. Sugestes para trabalhos futuros 101

Referncias 103

Anexo A Erro! Marcador no definido.

Anexo B Erro! Marcador no definido.

Anexo C Erro! Marcador no definido.

Anexo D Erro! Marcador no definido.

Nomenclatura do anexo D Erro! Marcador no definido.

i

ndice de tabelas

Tabela 1-1. Produo de biomassa florestal 4

Tabela 1-2. Disponibilidade do potencial de biomassa 4

Tabela 1-3. Potencial disponvel de resduos da floresta e da indstria transformadora de madeira, para produo de energia 4

Tabela 1-4. Efeito das propriedades do combustvel na operao do leito fluidizado (adaptao de Basu, 2006) 10

Tabela 2-1. Valores dos coeficientes para o clculo da viscosidade do ar 19

Tabela 2-2. Intervalos para os parmetros de operao para os diferentes processos de pirlise 21

Tabela 2-3. Resumo de algumas substncias presentes nos alcatres derivados da pirolise 21

Tabela 2-4. Modelos matemticos de desvolatilizao descritos na literatura (constantes cinticas e outros dados sobre os modelos podem ser encontrados na literatura) 37

Tabela 2-5. Valores de energia de activao (Ei), constante pr-exponencial (k0i) e produo (V*) usados no modelo de desvolatilizao 38

Tabela 2-6. Valores dos coeficientes de correlao encontrados para obteno de produo de gases volteis na janela de temperatura de [900 a 1170] K 42

Tabela 3-1. Caracterizao qumica dos combustveis a utilizados 49

Tabela 3-2. Distribuio de ocorrncia em massa para os dois tipos de biomassa 52

Tabela 3-3. Distribuio de ocorrncia em massa para o carvo 52

Tabela 4-1. Condies operatrias para os ensaios com pellets de biomassa florestal 63

Tabela 4-2. Condies operatrias para os ensaios de co-combusto de lama e carvo 70

Tabela 5-1. Distribuio da combusto dos produtos pirolticos pelos vrios compartimentos do RPLF 82

Tabela 5-2. Coeficientes da Eq 3-50 (adpatado de Incropera & DeWitt, 1985) 92

Tabela 5-3. Equaes do balano de energia para os vrios compartimentos do reactor 93

Tabela 5-4. Temperaturas obtidas atravs do modelo de balano de energia para o ar no tubo de admisso de ar secundrio e biomassa bem como para o permutador de calor 96

Tabela 1A. Dados para o clculo da velocidade terminal de uma partcula de biomassa (dp - dimetro de partcula; particula -massa volmica; g - acelerao da gravidade; P -presso)Erro! Marcador no definido.

Tabela 2A. Perfil de temperaturas usado para o clculo da velocidade terminal de uma partculaErro! Marcador no definido.

Tabela 3A. Tabela de clculo de velocidade terminal para uma partcula de biomassa ( gs - viscosidade o gs; Ga - nmero de Galileu; ut - velocidade terminal)Erro! Marcador no definido.

Tabela 1B - obtidos de tempo e massa em funo do indicador para a biomassa florestalErro! Marcador no definido.

ii

Tabela 2B - Valores obtidos de tempo e massa em funo do indicador para a lama proveniente da ETAR da PORTUCEL, para redutor de velocidade usado no motor de 1/20Erro! Marcador no definido.

Tabela 3B - Valores obtidos de tempo e massa em funo do indicador para a lama de ETAR da RENAULT (no usada nos ensaios), para redutor de velocidade usado no motor de 1/20Erro! Marcador no definido.

Tabela 4B - Valores obtidos de tempo e massa em funo do indicador para o carvo betuminoso, para redutor de velocidade usado no motor de 1/40 Erro! Marcador no definido.

Tabela 1C. Valores calculados para a razo mssica actual de oxidante em relao ao combustvel (Wa) e de razo mssica estequiomtrica de oxidante em relao mistura de combustvel (Ws) Erro! Marcador no definido.

Tabela 2C. Clculo da razo de ar por massa de biomassa Erro! Marcador no definido.

Tabela 3C. Clculo da quantidade de biomassa a admitir al leito fluidizado para um caudal de ar de combusto de 250 l/min Erro! Marcador no definido.

Tabela 4C. Clculo da composio elementar ponderada para os elementos qumicos considerados para o clculo do balano mssico Erro! Marcador no definido.

Tabela 5C. Valores calculados para a razo mssica estequiomtrica de oxidante em relao mistura de combustvel (Ws) Erro! Marcador no definido.

Tabela 6C. Valores calculados para a razo mssica actual de oxidante em relao ao combustvel (Wa) Erro! Marcador no definido.

Tabela 7C. Clculo da razo de ar por massa de biomassa Erro! Marcador no definido.

Tabela 8C. Clculo da quantidade de biomassa a admitir al leito fluidizado para um caudal de ar de combusto de 250 l/min Erro! Marcador no definido.

iii

ndice de figuras

Figura 1-1. Percentagem de carbono (C), hidrognio (H), oxignio (O) e azoto (N) em base seca sem cinzas presentes na biomassa .............................................................................................. 8

Figura 1-2. Teor de cinzas (bs) Vs poder calorfico superior de vrios tipos de biomassa ................ 9 Figura 2-1. Fases de decomposio de uma partcula de biomassa (adaptao de Scala, 1997) ..... 15 Figura 2-2. Evoluo da temperatura de uma partcula de biomassa quando colocada num meio a

1200 K segundo o modelo desenvolvido ................................................................................. 20 Figura 2-3. Esquema sntese dos produtos derivados da pirlise de uma partcula de biomassa ..... 22 Figura 2-4. Esquema dos produtos e usos da pirlise de biomassa (adaptao de Raveendran &

Ganesh, 1996) .......................................................................................................................... 23 Figura 2-5. Produo de carbonizado orgnico (kg carbonizado org /100 kg biomassa bssc) em

funo da temperatura (K) ........................................................................................................ 26 Figura 2-6. Produo de alcatres (kg alcatres /100 kg biomassa bssc) em funo da temperatura

(K) ............................................................................................................................................ 27 Figura 2-7. Produo gs total (kg gs/100 kg biomassa bssc) em funo da temperatura (K) ....... 27 Figura 2-8. Produo de lquidos (gua e todos os produtos orgnicos condensveis; kg lquidos

prod/100 kg biomassa bssc) em funo da temperatura (K) .................................................... 28 Figura 2-9. Produo de gua (kg gua prod/100 kg biomassa bssc) em funo da temperatura (K)

.................................................................................................................................................. 29 Figura 2-10. Libertao de diferentes gases volteis (kg gs i/100 kg biomassa bssc) em funo da

temperatura (K) ........................................................................................................................ 30 Figura 2-11. Poder calorfico inferior dos produtos derivados de pirlise (carbonizado, alcatres e

gs) (MJ /kg gs) em funo da temperatura (K) (o gs seco e limpo) ................................. 31 Figura 2-12. Contedo em carbono, oxignio e hidrognio no carbonizado (kg j/100 kg

carbonizado) em funo da temperatura (K) ............................................................................ 32 Figura 2-13. Contedo em carbono, oxignio e hidrognio nos alcatres (kg j/kg alcatres) em

funo da temperatura (K) ........................................................................................................ 33 Figura 2-14. Rcios de gases volteis em funo da temperatura (K) ............................................. 34 Figura 2-15. Esquema simplificado do modelo de desvolatilizao aplicado .................................. 38 Figura 2-16. Resultados obtidos de perda de massa total (%) e de formao de gs total (%) em

funo da temperatura (K) a partir do modelo de desvolatilizao desenvolvido .................... 40 Figura 2-17. Resultados obtidos da evoluo da libertao de compostos volteis (kg gs i/kg

biomassa) e temperatura (K) em funo do tempo (s) a partir do modelo de desvolatilizao desenvolvido ............................................................................................................................ 40

Figura 2-18. Resultados obtidos de produo (kg i/kg biomassa) de gases volteis em funo da temperatura (K) a partir do modelo de desvolatilizao desenvolvido .................................... 41

Figura 2-19. Resultados obtidos de produo (kg i/kg biomassa) de gases volteis em funo da temperatura (K) no intervalo de [900 1170] K a partir do modelo de desvolatilizao desenvolvido ............................................................................................................................ 41

Figura 2-20. Produo de diversos gases volteis obtidos pelo modelo desenvolvido e pela base de dados apresentada anteriormente em funo da temperatura (K)............................................. 43

Figura 2-21. Representao grfica do perfil de temperatura do carvo e biomassa no reactor piloto de leito fluidizado (adaptado de. Tarelho, 2001.e Tarelho et al, 2005) .................................... 45

iv

Figura 2-22. Perfil de co-combusto de lama biolgica e carvo (adaptao de Tarelho & Matos, 2002) ......................................................................................................................................... 46

Figura 3-1. Reactor piloto de leito fluidizado e sistemas auxiliares ................................................. 47 Figura 3-2. esquerda a imagem do reservatrio de carvo e lama e direita o reservatrio de

pellets........................................................................................................................................ 48 Figura 3-3. Esquema da instalao do reactor piloto de leito fluidizado (inserir legenda). ............. 50 Figura 3-4. Aspecto macroscpico das lamas biolgicas (a), pellets de resduos de biomassa

florestal (b) e carvo betuminoso (c). ....................................................................................... 51 Figura 3-5. Caudal mssico (kg/h) em funo do valor do indicador do controlador de velocidade

para os alimentadores de lama biolgica da ETAR da PORTUCEL (a), carvo betuminoso (b) e pellets de biomassa florestal (c). ............................................................................................ 53

Figura 3-6. Peso (g) em funo da diferena de potencial (Volt) medido na sada analgica do sensor de carga. ........................................................................................................................ 55

Figura 3-7. Dados obtidos do sensor de massa para diferentes posies do indicador .................... 55 Figura 3-8. Curva de calibrao do alimentador de biomassa florestal ............................................ 56 Figura 3-9. Comparao dos dados obtidos da calibrao manual com a calibrao efectuada com

sensor ........................................................................................................................................ 57 Figura 3-10. Curvas de calibrao dos rotmetros de ar primrio e secundrio, com os respectivos

coeficientes das rectas de regresso linear. (Adaptao de Tarelho, 2001) .............................. 57 Figura 4-1. Perfis axiais de presso e temperatura no RPLF ............................................................ 64 Figura 4-2. Queda de partculas de biomassa pelo tubo de admisso ao leito fluidizado ................ 67 Figura 4-3. Perfis axiais de concentrao de NO, CO2, CO e O2 (legenda de acordo com a Tabela

4-1) ........................................................................................................................................... 68 Figura 4-4. Influncia do excesso de ar no perfil de temperaturas (legenda da figura de acordo com

a Tabela 4-1). ............................................................................................................................ 68 Figura 4-5. Concentrao de CO2, O2, hidrocarbonetos expressos como CH4, CO e NO nos gases de

exausto (legenda da figura de acordo com a Tabela 4-1). ...................................................... 69 Figura 4-6. Perfis axiais de temperaturas para as diferentes condies de co-combusto (legenda de

acordo com a Tabela 4-2) ......................................................................................................... 71 Figura 4-7. Perfil axial de concentrao de NO, CO2, CO e O2 para as diferentes condies de co-

combusto legenda de acordo com a Tabela 4-2). .................................................................... 72 Figura 5-1. Esquema da diviso do leito fluidizado em compartimentos para efeitos de aplicao do

modelo de balano mssico ...................................................................................................... 73 Figura 5-2. Modelao dos quatro diferentes cenrios considerados para a combusto de gases

volteis e carbonizado nos diferentes compartimentos do RPLF (da esquerda para a direita e depois para baixo: cenrio1,2,3,4), bem como dos dados experimentais obtidos para a queima de pellets. Legenda (cores indicam os dados e o modelo): O2 (modelo balano mssico), CO2 (modelo balano mssico), O2 (ensaios experimentais), CO2 (ensaios experimentais) ...... 83

Figura 5-3. Esquema de uma seco com entrada e sada de fluxos energia de uma seco do leito fluidizado .................................................................................................................................. 85

Figura 5-4. Diviso do leito fluidizado em compartimentos para efeitos do balano de energia ..... 85 Figura 5-5. Modelao do perfil de temperatura dos quatro diferentes cenrios considerados para a

combusto de gases volteis e carbonizado nos diferentes compartimentos do RPLF (da esquerda para a direita e depois para baixo: cenrio1,2,3,4), bem como dos dados experimentais obtidos para a queima de pellets. ...................................................................... 95

v

Nomenclatura

Unidades

Ap - rea da partcula m2

k0i, k0i As - rea de uma superfcie permutadora m

2

Cd - coeficiente de arrasto (-)

cps - capacidade calorfica dum slido a presso constante

J.kg-1.K-1

cp,biomassa - capacidade calorfica da biomassa J.kg-1.K-1 D - dimenso caracterstica da partcula m d - dimetro da partcula do leito m Da - segundo nmero de Damkhler (-) Ea - energia de activao J.mol-1.K-1 Ein - energia que entra na fronteira do sistema J Eout - energia que sai na fronteira do sistema J

E in - quantidade de energia que entra por unidade de tempo na fronteira do sistema J.s-1 E out - quantidade de energia que entra por unidade de tempo na fronteira do sistema J.s-1 E in,ci+1 - quantidade de energia que entra por unidade de tempo no compartimento j J.s-1 E out,ci+1 - quantidade de energia que entra por unidade de tempo no compartimento j J.s-1 E out,w, cj

- quantidade de energia que sai por unidade de tempo do compartimento j por transferncia de calor pela parede

J.s-1

g - acelerao da gravidade m.s-2 Ga - nmero de Galileu (-) G ar - caudal molar de ar de combusto kmol ar.s-1 G j, A - caudal molar de j no ar de combusto compartimento j kmol j.s-1 G H2O, F, cj - caudal molar de H2O no compartimento j proveniente da secagem da biomassa kmol H2O.s-1 G H2O, volat cj - caudal molar de H2O no compartimento j da queima dos compostos volteis kmol H2O.s-1 G H2O, carbn cj - caudal molar de H2O no compartimento j da queima do carbonizado kmol H2O.s-1 G j, cj - caudal molar de j que sai do compartimento j kmol j.s-1 G gases, cj - caudal molar de gases no compartimento j kmol gases.s-1 gk - frequncia de ocorrncia em massa (-)

G fg, cj-1 - caudal de gases de combusto que entra no compartimento j, vindo compartimento j-1 kg.s-1 G fg, cj+1 - caudal de gases de combusto que sai do compartimento j kg.s-1 G O2, carbn,cj - caudal molar de O2 que oxida o carbonizado no compartimento j kmol O2 cj.s-1 G O2, volat,cj - caudal molar de O2 que oxida os volteis no kmol O2 cj.s-1

vi

compartimento j

hp - coeficiente de transferncia de calor por conveco para a partcula

J.s-1.K-1.m-2

hr - coeficiente de transferncia de calor por radiao entre o leito e uma superfcie nele imersa

J.s-1.K-1.m-2

hglobal,leito - coeficiente global de transferncia de calor J.s-1.K-1.m-2

hw,l J.s-1.K-1.m-2

hconv - coeficiente de transferncia de calor por conveco natural

J.s-1.K-1.m-2

hpack - coeficiente de transferncia de calor na camada de partculas em contacto com a superfcie

J.s-1.K-1.m-2

h0 J.s-1.K-1.m-2

hcond - coeficiente de transferncia de calor por conduo

J.s-1.K-1.m-2

hconv - coeficiente de transferncia de calor por conveco

J.s-1.K-1.m-2

hrad - coeficiente de transferncia de calor por radiao

J.s-1.K-1.m-2

kw - coeficiente de transferncia de calor entre o leito e as paredes do reactor

J.s-1.K-1.m-2

kc1 - condutividade trmica da primeira camada de isolamento do reactor

J.s-1.K-1.m-1

kc2 - condutividade trmica da segunda camada de isolamento do reactor

J.s-1.K-1.m-1

ke0

- condutividade trmica efectiva da emulso considerando uma camada de gs estagnada

J.s-1.K-1.m-1

kew0

- condutividade trmica efectiva da emulso numa fina camada adjacente superfcie permutadora de calor

J.s-1.K-1.m-1

kg - condutividade trmica do gs J.s-1.K-1.m-1

ks - condutividade trmica do slido J.s-1.K-1.m-1

kf J.s-1.K-1.m-1

Le -comprimento equivalente m

ni,volat - razo de i que deriva da combusto dos compostos volteis kmol i.kg volat-1

ni,carbn - razo de i que deriva da combusto de carbonizado kmol i.kg carb-1

mk - massa por tamanho de partculas kg

m - caudal de biomassa, na calibrao dos alimentadores kg.s-1 m carb, cj - caudal de carbonizado que entra ou sai do compartimento j kg carb cj.s-1 m volat, cj - caudal de volteis que entra ou sai do compartimento j kg volat cj.s-1 m carb,burn,cj - caudal de carbonizado a ser oxidado no compartimento j kg carb cj.s-1 m volat,burn,cj - caudal de volteis a ser oxidado no compartimento j kg volat cj.s-1 m biom - caudal de biomassa que alimentado ao leito kg F.s-1

vii

Mj - massa molar do componente gasoso j kg j.kmol j-1 Mi - massa molar do elementos qumico i kg i.mol i

-1

Nu - nmero de Nusselt (-)

nbw - frequncia das bolhas na vizinhana duma superfcie permutadora de calor

s-1

Pr - nmero de Prantle (-) PCI - poder calorfico inferior MJ.kg i-1

PCS - poder calorfico superior MJ.kg i-1 PCO2 - presso parcial do CO2 Pa Qar - caudal de ar Kg ar.s

-1 Re - nmero do Reynolds (-) Ret - nmero do Reynolds terminal da partcula (-)

Re - nmero de Reynolds correspondente velocidade terminal de uma partcula (-) Re, - nmero de Reynolds de uma partcula s condies de mnima fluidizao (-) R* - constante dos gases perfeitos 8,314 J.kmol-1.K-1

r1, r2, r3, r4 - raio das diferentes camadas de materiais desde o interior do reactor at superfcie externa do isolamento

m

T - temperatura K TG - temperatura do gs que circunda a partcula K

Tr - temperatura da partcula no sentido radial K T - temperatura do escoamento gasoso K T! - temperatura de uma superfcie permutadora K u0

- velocidade terminal de uma partcula de biomassa

m.s-1

uti - velocidade terminal da configurao de queda ni (i=1,2,3)

m.s-1

Vg - volume de gs m3

Vi - produo de gs voltil i kg i.kg F-1

Vi* - produo mximo de gs voltil i

Wa - razo mssica actual de oxidante em relao ao combustvel

kg O2 actual.kg F-1

We - razo mssica estequiomtrica de oxidante em relao mistura de combustvel

kg O2 estequiomtrico.kg F-1

Wv,A - razo mssica do vapor de gua no ar em base seca

kg H2O.kg F-1

Ww,F,bs - razo mssica de gua no combustvel em base seca

kg H2O.kg F-1

Ww,F,btq - razo mssica de gua no combustvel em btq

kg H2O kg F-1

Ww - fraco mssica da gua na biomassa kg H2O kg F-1

wC,bs - fraco mssica de carbono no combustvel em base seca

kg carbon.kg F-1

wj, bs - fraco mssica do composto j na biomassa, bs kg j. kg F-1

w",# - produo de compostos volteis i kg j. kg F-1 wj, btq - fraco mssica do composto j na biomassa, btq kg j. kg F

-1

wj, bssc - fraco mssica do composto j na biomassa, kg j. kg F-1

viii

bssc wZ,F - fraco mssica de cinzas na biomassa kg. cinza. kg F

-1

wcarb, prod, bssc - carbonizado orgnico produzido em base seca sem cinzas kg. Carb org prod. kg F-1

wcarb org, prod - carbonizado orgnico produzido em base seca

kg. Carb org prod. kg F-

wcarb, prod - carbonizado produzido kg. Carb prod. kg F-

wcarb,F - fraco mssica de carbonizado na biomassa kg carbonizado. kg F-1

wj, carb - fraco mssica de j que deriva do carbonizado

kg j. kg carb-1

wj, carb, F - fraco mssica de j do carbonizado na biomassa

kg jcarbonizado..kg F-1

wj, volat - fraco mssica de j que deriva dos volteis kg j.kg volat-1

wvolat - fraco mssica de volteis na biomassa kg volat..kg F-1

wi,carb - fraco mssica de i que deriva da combusto do carbonizado

kg i. kg carb-1

wi,volat - fraco mssica de i que deriva da combusto dos volteis

kg i. kg volat-1

wj, volat - fraco mssica de j que deriva dos volteis kg j.kg volat-1

wj, volat, F - fraco mssica de j que deriva dos volteis por kg biomassa kg j volat.kg F-1

wi, volat - fraco mssica de i produzido pela pirlise da biomassa

kg i.kg F-1

ww - teor de humidade da biomasssa kg H2O .kg F-1

xcarbn, burn, cj - fraco molar de carbonizado que oxidado no compartimento j

kmol j convertido.kmol j covertvel-1

xvolat, burn, cj - fraco molar de volteis que so oxidados no compartimento j

kmol j convertido.kmol j covertvel-1

xH2O, libert, cj - fraco de H2O que libertada no compartimento j

(-)

Ys,j - consumo estequiomtrico de oxignio kmol de O2.kmol de elemento-1

Yj,volat - razo de j que deriva da combusto de volteis kmol j.kg volat-1

Yj,carbn - razo de j que deriva da combusto de volteis kmol j.kg volat-1

Yj - oxignio estequiomtrico para a oxidao de j

kmol O2.kmol j.k-1

yi, cj - fraco molar do gs i sada do compartimento j

kmol CO2.s-1/kmol gases.s-1

yi,A - fraco molar do gs i no ar de combusto kmol CO2.s-1 /kmol gases.s-1

Smbolos gregos:

g - absorptividade da mistura gasosa (-)

, - factor associado reduo da emissividade e - absortividade, quando o CO2 e H2O se encontram juntos numa mistura gasosa

(-)

CO2 - absorptividade do CO2 (-)

ix

H2O - absorptividade do H2O (-) g - emissividade da mistura gasosa (-) H2O - emissividade do H2O (-) CO2 - emissividade do CO2 (-) - porosidade, ou fraco de vazios no leito nas condies de mnima fluidizao (-)

mfw - fraco de vazios na camada de emulso adjacente superficie permutadora de calor

(-)

bw - fraco de volume ocupado pelas bolhas na vizinhana da superfcie permutadora

(-)

nf - porosidade, ou fraco de vazios do leito nas condies de mnima fluidizao

(-)

- massa volmica do gs kg.m-3 ! - massa volmica do slido kg.m-3 g - massa volmica do gs kg.m

-3

g - massa volmica do gs kg.m-3

! - esfericidade de uma partcula (-) - viscosidade dinmica de um fluido kg.m

-1.s-1

w

- razo entre a espessura do filme gasoso em redor dos pontos de contacto entre partculas no leito e o tamanho duma partcula, na vizinhana da superfcie permutadora de calor

(-)

ij - coeficiente estequiomtrico do elemento qumico i no composto j

Lista de abreviaes

A ar de combusto em base seca biom biomassa btq base tal e qual bs base seca bssc base seca sem cinzas burn queimado cj compartimento j (j=1,2,3,4,5,6,7) carb carbonizado F biomassa em base seca i componente gasoso: N2, CO2, O2, H2O,

C6H10O5, CH4, CO

j elemento qumico: C, H, O, S, N volat volteis RPLF Reactor piloto de leito fluidizado

Pedro Ideias Influncia do teor em matria voltil na queima de biomassa em leito fluidizado

1

Universidade de Aveiro 2008

Captulo 1.

1.1. Introduo

A utilizao da biomassa para fins energticos, acompanha a humanidade desde os seus primrdios. Foi graas biomassa, que foi possvel ao Homem afugentar os animais selvagens, cozinhar os seus alimentos, aquecer-se e moldar instrumentos de uso dirio. O domnio da energia contida na biomassa permitiu ento aos seres humanos, enormes evolues no s a nvel da qualidade de vida como a nvel social e tecnolgico.

A directiva 2001/77/EC contm uma definio de biomassa onde se transcreve o seguinte: segundo artigo, ponto b): Biomassa, a fraco biodegradvel de produtos e resduos provenientes da agricultura (incluindo substncias vegetais e animais), da silvicultura e das indstrias conexas, bem como a fraco biodegradvel de resduos industriais e urbanos. O potencial da biomassa, como se pode ler em cima, inclui uma variedade muito ampla de materiais e o nico substituto orgnico renovvel para o petrleo, Dermirbas & Arin (2002). Convir referir, que neste trabalho, do significado global que o termo biomassa abrange, apenas iro ser estudados, materiais com provenincia florestal e de lamas de estaes de tratamento de guas residuais (ETAR s), para a produo de combustveis, com vista a uma posterior valorizao energtica. (Apesar de os combustveis fosseis: carvo, petrleo e gs natural serem provenientes da biomassa animal e os dois ltimos da biomassa vegetal no constam da definio, pois, como sabido, so o produto de milhes de anos de transformaes qumicas, e o seu ciclo de vida desmedido em termos de tempo, quando comparado ao ciclo do carbono contido na biomassa, tratada neste trabalho, por isso estes so designados estes de combustveis fosseis no renovveis).

A converso de energia solar pela fotossntese das plantas permite gerar a fonte de alimento para as plantas, e como tal a energia de suporte da vida animal no planeta. A quantidade de energia armazenada desta forma, pela fotossntese, enorme. Dos 1017 J de energia radiante no topo da atmosfera as plantas armazenam 0,02%, num total de 2.1015 J. Na era pr-industrial, este tipo de energia era suficiente para todas as necessidades de energia da humanidade. Hoje em dia, a energia proveniente desta fonte, apenas consegue suprimir 6% das necessidades no alimentares de energia, Jenkins et al, (1998); e na maior parte os aproveitamentos so efectuados com nveis de rendimento trmico muito baixos, com pouco controlo dos parmetros de operao e com a emisso de poluentes altamente txicos.

A matria constituinte dos seres vivos, biomassa, desde sempre serve a humanidade nas suas necessidades de energia primria bem como de nutrio. Esta tem origem na converso de energia solar por parte da fotossntese das plantas, que cria a base da vida na Terra e exerce o sustento da vida animal, como j foi referido. Deste modo, a energia proveniente do sol armazenada na biomassa atravs da converso do dixido de carbono presente no ar e na gua dos lagos e oceanos, atravs da fotossntese. Este processo, pelo qual os seres vivos auto-trficos obtm a sua energia, tambm o principal gerador de oxignio atmosfrico. Assim, atravs da fotossntese so formados os compostos constituintes da biomassa (celulose, lenhina, hemicelulose, aucares, etc.). Estes so compostos altamente energticos e a energia que acumularam proveniente do Sol. Esta energia

2 Departamento de Ambiente e Ordenamento


liberta-se na respirao celular na presena de oxignio ou no processo de combusto. Deste modo, a biomassa torna-se um imenso e descentralizado reservatrio de energia, que cresce nos nossos jardins e est pronta a ser utilizada.

Do ponto de vista qumico, a biomassa um compsito, constitudo por uma mistura de hemicelulose, celulose e lenhina, com estruturas qumicas e proporo de cada um dos constituintes condicionada pela variedade da biomassa. Na constituio da biomassa fazem tambm parte constituintes inorgnicos, que geralmente se referem como cinza, que normalmente se encontra no intervalo de 1-15%, e em especial nos resduos agrcolas poder ir at 25%. Na cinza encontram-se metais alcalinos como potssio, clcio, sdio, slica, fsforo, cloro e mangansio. Em comparao com o carvo, o teor em carbono inferior, situando-se entre 40-50% em base seca sem cinzas. Este tipo de material rico em matria voltil e oxignio. Uma das vantagens do uso de combustveis derivados de biomassa o baixo teor em azoto e enxofre. O baixo teor destes elementos qumicos traz portanto, maiores benefcios ambientais relativamente ao uso de combustveis fosseis, pois a emisso de gases derivados destes compostos causadora de problemas ambientais, no patrimnio edificado, a curto ou mdio prazo na economia regional, onde o problema se verifica. No esquecer que a biomassa no contribui para o efeito de estufa, pois a quantidade de carbono libertado a mesma do carbono fixado aquando da fotossntese. A queima de biomassa , portanto, neutra do ponto de vista do ciclo do carbono.

Os combustveis derivados de biomassa, apresentam caractersticas muito particulares, pelo que diferem em larga medida do carvo. Essencialmente porque este tipo de combustvel apresenta um enorme teor em material voltil (tipicamente entre 50 a 70%), ou seja, compostos qumicos com um elevado poder calorfico que se libertam quando este tipo de material exposto a altas temperaturas. A biomassa apresenta tambm elevados teores em sais, cloro e cinzas, caractersticos da composio da matria viva. Este conjunto de caractersticas, confere biomassa um misto de especificidades que necessitam de um profundo conhecimento, para que o aproveitamento da energia contida neste material possa ser correctamente aproveitado. Nomeadamente, no que diz respeito s caractersticas dos reactores termoqumicos quanto sua composio e dimensionamento, devido ao elevado teor em cloro e sais provocarem problemas de corroso, bem como no que confere localizao e dimensionamento das superfcies de transferncia de calor.

Quando no incio do sculo XX, os combustveis fsseis (carvo mineral, petrleo e gs natural), se tornaram baratos e amplamente acessveis, a biomassa deixou de ocupar o lugar de destaque que sempre ocupou na vida da sociedade humana at data. Esta nova fonte de energia trouxe o advento dos combustveis baratos e acrescidos de uma maior comodidade. Estava ento a viver-se uma mudana de paradigma energtico. Nos dias de hoje, assistimos de novo a uma mudana de paradigma energtico, impulsionada pela problemtica da emisso de gases com efeito de estufa, derivada da queima de combustveis fsseis, passando pelo aumento do preo dos combustveis fsseis, impulsionado pela especulao e pela procura cada vez maior nos mercados por parte das economias emergentes, a dependncia da economia mundial destes combustveis torna-se gravosa. As reservas deste tipo de combustveis comeam a escassear e a ressaca do petrleo far-se- abater de um modo violento. Como tal e depois do susto dos anos 70, aquando da segunda grande crise econmica do sculo XX, houve uma clara preocupao na procura de alternativas de produo de energia. Assim sendo a converso termoqumica da biomassa (pirlise, gaseificao, combusto) uma das formas, no nucleares, de produo de energia mais promissoras no futuro.


3


A produo de combustveis a partir de biomassa ser, num futuro prximo uma alternativa cada vez mais usada em todo o mundo, para a produo de energia, pois uma fonte de energia renovvel e garante a sustentabilidade dos recursos energticos. Em Portugal, o interesse neste tipo de fonte de energia bvio, visto que 38% da rea do territrio nacional coberto por floresta (biomassa florestal), o que ir permitir com alguma certeza, e com uma adequada gesto dos recursos, retirar imensos proveitos para o pas. A biomassa pode ser usada para produo combinada de calor e electricidade e pode, tambm, ser usada na produo de gs sntese, produo de hidrognio, produo de biocombustveis, entre outros.

A biomassa portanto, uma importante reserva de energia e que at recentemente, ocupou um lugar de destaque como a fonte de energia predilecta do Homem. Convm relembrar, que nos dias de hoje e apesar de nos pases ocidentais o uso de combustveis fosseis ser um dado adquirido, existem milhes de pessoas espalhadas pelo mundo, que usam para cozinhar alimentos e para quais quer outros usos necessrios, a biomassa como fonte de energia. Porque como sabido, esta est presente em praticamente todo o lado, fcil de obter e existe uma renovao do stock anual disponvel. Apesar de muitos milhes de pessoas contarem com esta fonte de energia para sobreviverem, a disponibilidade de biomassa no suficiente para alimentar a necessidade glutanesca de uma sociedade viciada em energia, como inevitavelmente a nossa . Como tal, forosamente necessrio para alimentar os consumos alarves e crescentes de energia da nossa sociedade, socorrermo-nos dos combustveis fsseis. Porm, a biomassa no poder deixar de fazer parte e deve adquirir um papel relevante no mix energtico do nosso mundo, pois no nos podemos esquecer que esta uma fonte de energia gratuita e limpa. Exemplo disso mesmo a disponibilidade de biomassa na China, que ronda 670 milhes de toneladas/ano co-produzidos pela agricultura, derivadas na sua maioria de palha de arroz (220 M toneladas/ano), de milho (170 M toneladas/ano), resduos derivados da produo de algodo e bagao (40 M toneladas/ano). Torna-se ento importante notar, que os novos pees no gigantesco jogo da economia, tomem partido deste tipo de combustvel, para que pelo menos numa pequena parte dos seus consumos, se faa uso deste combustvel. Em Portugal estima-se que exista uma disponibilidade de biomassa de 3,5 M toneladas/ano (Patro, 2007 Frum para a competitividade).

1.1.1. Disponibilidade da biomassa para fins energticos

Segundo o Frum das Energias Renovveis para Portugal (Gonalves et al, 2002) o potencial de disponibilidade dos vrios tipos de biomassa para fins energticos oferece, actualmente, um vasto campo de utilizao deste recurso endgeno e renovvel em Portugal. Nas Tabela 1-1;Tabela 1-2 e Tabela 1-3, pode constar-se as quantidades indicadas de biomassa derivada de resduos de madeira, de acordo com a sua provenincia, diferenciando a produo da efectiva disponibilidade da biomassa florestal em Portugal.

Tem-se verificado que muito complicado quantificar a produo de biomassa resultante de um conjunto de actividades agrcolas, das quais se destacam os resduos provenientes da indstria do vinho, das podas das rvores de fruto, o potencial decorrente das podas dos olivais e do bagao da azeitona. Contudo, as oportunidades resultantes da transformao industrial, quer das frutas e de frutos secos devem ser conhecidas, pois no dever ser complicado contabilizar estas quantidades em ambiente industrial, porm tal no foi possvel obter. J a problemtica da gesto dos resduos provenientes do sector avcola permitiu fazer um levantamento das quantidades produzidas, por



este sector industrial. Deste modo, foi possvel registar a existncia de 600 mil toneladas/ano, permitindo deste modo, antever uma oportunidade de valorizao energtica desses resduos, depois de ultrapassados os problemas operacionais, associados queima dos mesmos.

Tabela 1-1. Produo de biomassa florestal

Tipo de resduo Quantidade (M toneladas/ano)

Matos (incultos) 4,0 Matos (sob-coberto) 1,0 Produo de lenhas 0,5

Ramos e bicadas 1,0 Total 6,5

(Adaptao de Gonalves et al, 2002)

Tabela 1-2. Potencial de biomassa

Tipo de resduo Quantidade (M toneladas/ano) Matos 0,6

Biomassa proveniente de reas ardidas

0,4

Ramos e bicadas 1,0 Total 2,0

(Adaptao de Gonalves et al, 2002)

Tabela 1-3. Potencial disponvel de resduos da floresta e da indstria transformadora de madeira, para produo de energia

Provenincia dos resduos Quantidade (M toneladas/ano) Floresta 2,0

Indstria transformadora de madeira

0,2

Total 2,2 (Adaptao de Gonalves et al, 2002)

Tento em conta a disponibilidade total a nvel nacional, permitido concluir que a disponibilidade de diversas formas de biomassa, so suficientes para viabilizar durante a corrente dcada, cerca de 200 MWe de potncia elctrica, estimada com base na directiva europeia 2001/77/CE de promoo da gerao de energia elctrica a partir de fontes renovveis. De referir, que sempre que possvel dever optar-se no pela gerao nica de electricidade, mas sim considerar opes de cogerao e trigerao, no esquecendo obviamente que este tipo de solues carece de uma aproximao ao mundo industrial.


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1.2. Oportunidades da biomassa para fins energticos

Alm de ser um recurso renovvel, a biomassa tambm uma interessante reserva de energia para a produo de produtos sintticos atravs dos produtos resultantes da pirlise e gaseificao. A madeira, por exemplo, oferece vantagens especiais para a produo de variadssimos produtos derivados de pirlise e gaseificao (combustveis lquidos e gasosos), pois apresenta um baixo contedo em enxofre e azoto. Deste modo, a biomassa essencialmente considerada como um recurso apto para a converso termoqumica, podendo esta ser efectuada em fornos industriais e instalaes de co-gerao existentes, centrais termoelctricas j existentes, bem como em novas centrais e unidades energticas com base em novas tecnologias. As principais tecnologias para a converso da biomassa so: carbonizao da biomassa para a produo de carvo, gaseificao, pirlise, extraco super-critica1 de fludos para a produo de lquidos, liquefaco de biomassa a produtos lquidos, hidrlise da biomassa a acar e etanol, digesto anaerbia para produo de produtos gasosos, combusto directa de biomassa para produo de electricidade, co-combusto de biomassa e carvo e converso de biomassa a metanol e etanol para motores de combusto interna, (Demirbas, 2004). Torna-se por isso evidente, que as oportunidades de negcio relacionadas com esta actividade, colocam-se no s ao nvel da rede de recolha e transporte dos recursos, mas tambm na capacidade de em Portugal se gerarem novas tecnologias dedicadas a estes recursos. Para tal, devem criar-se novos mecanismos de endogeneizao para a indstria nacional deste tipo de conhecimento cientfico. No se pode olvidar, que a produo de energia a partir da biomassa, um ptimo meio para a produo descentralizada de energia, designadamente em Portugal, que poder ser usada para colmatar falhas no abastecimento devido ao aumento de procura de energia, bem como aumentando o leque de procedncias disponveis, tornando o abastecimento mais seguro e ambientalmente mais aceitvel.

Apesar de no se ter conseguido apurar com a preciso desejada, a produo actual de energia, com base nas diferentes formas de biomassa utilizadas pela indstria, face capacidade instalada nas suas instalaes trmicas e de co-gerao, segundo a diviso de Estatstica da Direco Geral de Energia, existiam em Portugal desde 1999, 441 MWe instalados com base no conceito de biomassa, tendo a produo global de energia atingido nesse ano no que respeita biomassa 80 873 TJ.

1.3. Combusto da biomassa em leito fluidizado

A converso de combustveis slidos em leito fluidizado deu os primeiros passos na Alemanha, num processo de Winkler para a gaseificao de carvo em 1922. Apesar de j nesta altura existirem alguns investigadores a operar com este tipo de reactor, apenas entre os anos 50 e 60 foi possvel operar reactores de leito fluidizado de forma econmico e ambientalmente aceitvel, em processos de combusto/gaseificao com carvo, Scala (1999). Actualmente, a tecnologia

1 A extraco super-crtica tem que ver com o facto de o poder de solubilizao de um solvente ser tanto maior quanto mais denso o solvente for. Portanto a cima e nas proximidades do ponto crtico, basta apenas um pequeno aumento de presso para produzir um grande aumento do poder de solubilizao do solvente. esta caracterstica, bastante peculiar de um fluido supercrtico, que constitui o princpio fundamental do processo de extraco super-crtica; p.e.: extraco da cafena do caf e do ch, regenerao de carvo activo, precipitao de polmeros, etc., Kiran & Brennecke, 2001



bem dominada, apesar de existirem restries, nomeadamente no que diz respeito ao uso de diferentes tipos de combustvel, como aqueles que apresentam um elevado teor em cinzas, pois em muitas situaes as cinzas derivadas deste tipo de combustvel apresentam caractersticas que fazem com que estas fundam na gama de temperaturas de funcionamento do leito, o que provoca problemas de segregao do leito e impede a fluidizao do mesmo, alterando as caractersticas fsicas no leito, com consequncias para a performance reactor leito fluidizado borbulhante.

Num passado recente, tem vindo a verificar-se que este tipo de reactores excelente para o tratamento e aproveitamento energtico de resduos slidos urbanos (Mukadi & Legros) e de lamas derivadas de ETAR s (Tarelho et al, 2002; Ogada &Werther,), bem como para a produo de calor e de vapor para gerar energia elctrica. Os resduos provenientes do tratamento de guas (lamas) podem ser queimados sozinhos ou co-queimados com carvo, sendo normalmente a ltima opo a mais usada, devido ao poder calorfico deste tipo de material, no ser o ideal. Assim sendo, a queima deste tipo de resduo, alternativa para a eliminao desta tipologia de resduos e para a mitigao da emisso de gases com efeito de estufa. Deste modo, este tipo de reactor apresenta-se como alternativa de queima e tratamento de resduos, pois apresenta caractersticas excepcionais para a queima deste tipo de materiais. muito verstil porque permite a queima de diversos tipos de combustveis com caractersticas muito diferentes, apresenta elevadssimas taxas de transferncia de calor e de massa quando comparado com outros tipos de tecnologias de queima, o que permite uma converso superior dos compostos qumicos, bem como performances mais elevadas, esta tecnologia permite tambm a reduo da emisso de alguns poluentes como os xidos de azoto (NOx; pois a temperatura de operao inferior ao comummente utilizado nos equipamentos mais comuns) e dixido de enxofre (SO2; porque possvel adicionar substncias adsorventes no leito do reactor).

Um leito fluidizado um reactor composto por uma cmara de combusto (freebord) e por um leito de matria inerte partculada. Usualmente, este leito composto por areia, cinzas e ou por um material adsorvente, como calcrio ou dolomite para remoo de SO2. As principais funes do leito, alm de poder remover compostos sulfricos, tm o propsito de servir como reservatrio de calor, para que as reaces qumicas se processem com uma maior estabilidade. Um leito com as caractersticas indicadas em cima igualmente um meio que propicia elevadas taxas de transferncia de calor e de massa, quando comparado por exemplo a um reactor de grelha. Estas caractersticas devem-se s propriedades especficas da areia, que sendo um material de dimenses reduzidas e, devido ao facto de estar fluidizado, aumenta o contacto entre o material do leito e as partculas de combustvel, melhorando, deste modo, as trocas de calor e de massa entre o leito, o gs de fluidizao e as partculas de combustvel. O leito de partculas aquando da operao mantido em agitao vigorosa, por ar denominado de primrio, que injectado por meio de difusores no fundo do leito e que escoa no sentido ascendente. Para velocidades baixas do escoamento, o ar percola pelo leito e este permanece fixo, mas aumentando a velocidade, o leito expande-se e quando a fora ascendente do ar iguala o peso do leito, atinge-se a situao mnima de fluidizao. Portanto, para valores superiores velocidade mnima de fluidizao, tipicamente 1-2 m/s, o ar alm de percolar escoa-se sobre a forma de bolhas, Tarelho, (2001).

Existem vrios modos de operar leitos fluidizados. Estes podem ser operados em regime borbulhante (AFBC, atmosferic fluidizadet bed comboster), circulante (CFBC, circulant fluidizadet bed comboster) e mais recentemente (PFBC, presurated fluidizadet bed comboster), encontrando-se este ltimo ainda em fase de testes.


7


O sucesso alcanado pela combusto de biomassa em leito fluidizado deve-se em larga medida grande flexibilidade que esta tcnica permite, no que diz respeito escolha do combustvel. Particularmente, possvel neste tipo de sistemas, usar combustveis com baixo contedo de energia, pois existe um elevado grau de mistura do combustvel com os slidos no leito, o que, como foi dito anteriormente, permite potenciar as reaces qumicas. A operao com este tipo de reactor permite uma reduo muito significativa na emisso de poluentes no efluente gasoso resultante deste processo, como por exemplo compostos halogenados e de enxofre. Isto porque estes compostos prejudiciais para o ambiente, podem ser absorvidos in sito, bastando para isso a substituio ou adio ao leito de inertes de slica, por pedra cal ou dolomite. Em alguns casos, as cinzas derivadas do processo, apresentam tambm caractersticas de adsoro. A emisso NO-trmico e o NO-fuel, decorrentes da combusto, so inferiores de outros tipos de processos de combusto, por dois motivos: baixas temperaturas de operao (700-900C) e pelo facto de a combusto poder ser realizada em estgios. Baixas so tambm as emisses de monxido de carbono (CO) e de alguns hidrocarbonetos devido

1.3.1. Caractersticas de combusto

A combusto um fenmeno complexo e que envolve simultaneamente transferncia de massa e de calor, reaces qumicas bem como caudais de fluidos. Uma reaco global da combusto da biomassa com o ar pode ser encontrada em Jenkins et al, 1998; e apresenta a seguinte forma:

C&'H&)O&+N&-S&/Cl&0Si&1K&3Ca&4Mg&'6Na&''P&')Fe&'+Al&'-Ti&'/ + n'H)O+ n)91 e;9O) + 3,76N);= n+CO)+ n-H)O + n/O)+ n0N) + n1CO+ n3CH- + n4NO + n'6NO)+ n''SO) + n')HCl + n'+KCl + n'-K)SO- + n'/C + +

Eq. 1-1

(Os parmetros xi, podem ser encontrados em Jenkins et al, 1998)

A frmula geral apresentada para a biomassa (primeiro termo da equao qumica), inclui apenas quinze elementos, porm existem muitos outros, com real importncia na combusto da biomassa. Entre esses elementos qumicos encontram-se os metais pesados, que de um modo geral no se encontram em abundncia na biomassa, mas que por algum motivo particular podero estar presentes em concentraes expressivas e que devido sua toxicidade, iro necessitar de uma ateno especial quanto forma que devero apresentar as cinzas e qual o seu destino final. O segundo termo diz respeito humidade, que pode variar bastante dependendo da biomassa. O ltimo termo da expresso, do lado dos reagentes representa o ar de combusto. Este encontra-se simplificado para apenas incluir os constituintes principais, azoto e oxignio. A parte dos produtos mais complexa e por esse motivo apenas se encontram figurados os produtos de combusto que ocorrem em maior quantidade e alguns dos gases que podero causar maiores problemas operatrios (por exemplo: SO2,HCl, KCl; relacionados com incrustaes ou corroso) e ambientais (por exemplo: CO, CH4,NO, NO2). A combusto portanto, ao contrrio da maior parte das reaces bioqumicas e algumas termoqumicas, uma reaco no-selectiva, Jenkins et al, 1998;



que pretende reduzir uma dada matriz slida de um combustvel a um conjunto de produtos simples.

1.3.1.1. Composio de biomassa

A fotossntese das plantas, produz um conjunto enorme de compostos qumicos necessrios para que estas se possam alimentar, crescer e reproduzir. Os principais componentes de biomassa incluem celulose, hemicelulose, lenhina, lpidos, protenas, acares simples, hidrocarbonetos, cinzas e outros compostos minoritrios. A abundncia de cada um destes compostos est limitada espcie de planta e ao tipo de tecido especfico que nos possamos estar a referir. Porm, o uso da biomassa no estrito derivada de plantas. Existe pois um conjunto bastante alargado de tipos de biomassa (lamas de ETAR, resduos industriais biolgicos, etc.) dos quais pode ser convertidos termicamente. A combusto pode ento ser aplicada biomassa, tal como esta se encontra na natureza, bem como a derivados de reaces bioqumicas (p.e. fermentao). Apesar de a biomassa apresentar uma aparente diversidade de formas, interessante de verificar na Figura 1-1 que a sua composio elementar se mantm constante independentemente do tipo de biomassa. Devido sua estrutura de hidratos de carbono, a biomassa apresenta tipicamente entre 30 a 40% em base seca sem cinzas (bssc) de oxignio. Contudo, o maior constituinte o carbono, entre 45 a 57% bssc. Da constituio orgnica o hidrognio o terceiro maior constituinte e encontra-se em propores entre os 5 e 6% em bssc. O azoto, o enxofre e o cloro encontram-se em percentagens inferiores a 1% em bssc.

Figura 1-1. Percentagem de carbono (C), hidrognio (H), oxignio (O) e azoto (N) em base seca sem cinzas presentes na biomassa

1.3.1.2. Poder calorfico da biomassa

O modo standard de como avaliado o contedo de energia de um combustvel o poder calorfico. Este pode ser expresso em poder calorfico superior (PCS) ou poder calorfico inferior

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120% e

m m

assa

dos

ele

men

tos

(BB

SC

)

Nmero de amostra de biomassa

C % (bssc) H % (bssc) O % (bssc) N % (bssc)


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(PCI), dependendo da forma como a gua se encontra nos produtos, ou seja, se esta se encontra em estado lquido ou gasoso, respectivamente.

Um dos factores mais condicionantes do poder calorfico de um combustvel a sua humidade, porque a evaporao da gua endotrmica, o que implica um consumo de energia.

Um facto curioso de verificar que o teor em cinzas da biomassa est intimamente ligado ao poder calorfico desse mesmo material. Pode mesmo afirmar-se que existe uma dependncia, entre o poder calorfico de um dado combustvel e o seu contedo em cinza, como pode ver-se na Figura 1-2. Nesta figura, est representado o teor em cinzas em funo do poder calorfico, que deriva de uma reviso da literatura de mais de 90 tipos de biomassa. Como pode verificar-se, atravs desta representao grfica, notria a dependncia entre o teor em cinzas e o poder calorfico, ou seja, quanto maior for o teor em cinzas da biomassa menor ser o seu poder calorfico.

Figura 1-2. Teor de cinzas (bs) Vs poder calorfico superior de vrios tipos de biomassa

1.3.1.3. Emisso de poluentes

A emisso de poluentes num sistema de combusto algo de inevitvel, todavia possvel de gerir de modo sua produo ser minimizada. Os poluentes formados vo desde matria partculada, CO, hidrocarbonetos (HC), compostos orgnicos volteis (COVs), hidrocarbonetos aromticos policclicos (HAP), xidos de azoto (NOx principalmente NO e NO2), xidos de enxofre (SOx, principalmente SO2). Podem ainda ocorre a emisso de gases cidos, metais pesados e eventualmente dioxinas e furanos (especialmente a partir de combustveis derivados de resduos (CDR) quando este tipo de combustveis produzido a partir de madeiras de demolio, muitas vezes com tintas e outros tipos de produtos de acabamento, contendo os metais pesados). Os poluentes como CO, HC, HAP e COVs derivam de uma combusto incompleta e podem ser controlados afinando a estequiometria e a mistura de ar com o combustvel que est a ser usada.

1.3.2. Problemas associados combusto da biomassa em leito fluidizado

Com o advento dos combustveis alternativos e devido a estes ostentar em caractersticas bem diferentes dos convencionais, pois apresentam teores de matria voltil e cinza elevados (90% de volteis em massa (Sacala, 1997) e at 32% em cinza, Figura 1-2), levaram a considerar a forma

0

10

20

30

40

10 15 20 25 30

Teo

r de

cin

za (

% e

m m

assa

bs)

PCS (kJ/kg biomassa)



como os leitos fluidizados so operados. Os problemas crticos quando se opera um reactor de leito fluidizado com este tipo de combustvel, dizem respeito formao de aglomerados no leito (slagging), corroso das paredes do leito e de equipamentos de amostragem ou de monitorizao, incrustaes e problemas de alimentao da biomassa, Basu, 2006; (sntese na Tabela 1-4). Ao usar combustveis com elevados teores de cinza, por vezes no ocorrem problemas de slagging, contudo nalguns casos, nomeadamente devido s propriedades das cinzas, verifica-se a formao de aglomerados no leito. Estes aglomerados formam-se devido essencialmente aos metais alcalinos que esto presentes nas cinzas, que fundem e se aglomeram s partculas do leito. Quando este arrefece, formam-se agregados com dimenses significativas, e apesar de o leito atingir novamente temperaturas que deviam levar a que estes fundissem novamente e se desfizessem, tal no acontece e estes impedem a fluidizao normal do leito. Isto implica paragens na operao deste tipo de equipamentos com os elevados custos inerentes a uma instalao que use este tipo de equipamento.

Tabela 1-4. Efeito das propriedades do combustvel na operao do leito fluidizado (adaptao de Basu, 2006)

Elementos no combustvel Problemas associados

Compostos alcalinos (sdio, potssio) Aglomerao do leito;

Corroso a alta temperatura e incrustao s paredes e tubos;

Cloro

Corroso a alta temperatura e incrustao s paredes e tubos;

Emisso de HCl; Formao de dioxinas;

Metais pesados Emisses;

Corroso da caldeira; Deposio das cinzas;

Enxofre

Emisses de SO2; Corroso dos equipamentos quando se associa

gua; Corroso a alta temperatura, associado razo

(S/Cl) Azoto Emisso de NOx;

Para evitar este tipo de problema podem ser aplicadas diversas solues: adio de aditivos (p.e. dolomite ou cal), pr-processamento do combustvel, uso de materiais para o leito alternativos (p.e. substituio de uma parte do leito por oxido de ferro, feldspato, etc.), co-combusto com carvo, reduo da temperatura de operao e a manuteno de nveis mximos de funcionamento substituindo em permanncia o leito.

A corroso que se pode verificar nas paredes de um reactor, que utilize como combustvel a biomassa, deve-se presena de cloro. Este est presente em todo o tipo de biomassa, porm em quantidades variveis. O cloro ataca as paredes do reactor, pois forma uma associao corrosiva com o hidrognio formado pela pirlise da matria orgnica. O cido clordrico formado, se no se tomarem as providncias necessrias para que os equipamentos de despoeiramento operem acima da temperatura de orvalho, ir condensar e provocar problemas de corroso tambm nestes equipamentos. Os problemas de incrustaes foram observados por Tarelho & Matos, (2002); durante ensaios de co-combusto de lamas biolgicas com carvo. Neste caso foi observado um


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aumento de incrustao nos equipamentos de amostragem, com o aumento da percentagem de lama a ser queimada, o que nunca foi verificado nos ensaios realizados com carvo.

A alimentao a um reactor de leito fluidizado borbulhante, como a outro qualquer equipamento de combusto, um processo importantssimo. A alimentao de combustvel ainda se reveste de maior importncia quando se fala em sistemas piloto para estudos cientficos, visto que, um sistema de alimentao mal calibrado ou que no proporcione uma alimentao de combustvel de modo regular, provoca oscilaes de temperatura e oscilaes nas concentraes dos diversos gases, como foi verificado por Martins & Fernandes, (2006). Deste modo, torna-se complicado obter uma condio estvel para se poderem efectuar medies. O mesmo se passa num sistema escala industrial, onde o problema se pode tornar srio se no existir um sistema de alimentao de combustvel capaz de alimentar com a regularidade necessria, de modo a manter o processo de combusto em estado estacionrio. Os sistemas de alimentao de combustveis slidos, incluem um conjunto de parafusos sem-fim, quando este opera em continuo, ou por um conjunto de tapetes rolantes, quando este opera em regime da cargas.

A fim de uma melhor compreenso dos mecanismos que dominam a converso de combustveis com um alto teor de matria voltil existe uma imensa variedade de combustveis e todos apresentam propriedades distintas, o que complica o trabalho, pois a especificidade de cada combustvel leva a que seja necessrio um estudo aprofundado, para uma melhor compreenso dos mecanismos de combusto, de modo a minorar os problemas descritos anteriormente. Em particular, a biomassa usualmente apresenta um elevado grau de humidade, alto contedo em matria voltil, heterogeneidade na sua constituio, porosidade elevada e no uniforme, baixa densidade e uma intrnseca reactividade. De todas as caractersticas, segundo Scala & Salatino, (2002) o contedo em matria voltil e a taxa de libertao so de longe as particularidades mais importantes e de maior relevncia a considerar. Isto porque a matria voltil constitui a maioria do material e a sua libertao ir influenciar, no s a colocao das superfcies de transferncia de calor, os mecanismos de formao de poluentes e a operao em segurana do leito fluidizado. De ter em conta, por outro lado, que o elevado teor em matria voltil, faz com a contribuio da libertao de calor na fase homognea seja consideravelmente superior aquando da queima de um combustvel com um teor em matria voltil inferior, o que enfatiza a importncia da relao volteis versus gs de fluidizao, bem como de mistura versus processos de segregao. Derivado aos factos anteriormente descritos, o perfil de temperaturas dentro do reactor ser bastante afectado, ou seja, com diferenas significativas quando comparado com outros perfis na queima de combustveis fsseis (carvo). O produto remanescente ou carbonizado deixado pela desvolatilizao apresenta uma estrutura incoerente e como tal os fenmenos de atrito das partculas sero maiores e a reactividade intrnseca deste tipo de material aumenta, alterando as condies de combusto do carbonizado, quando comparadas com as do carvo. Os aspectos anteriores so da maior relevncia, pois implicam perda na eficincia de converso de energia devido ocorrncia de partculas inqueimadas a sarem do reactor.

1.3.3. Vantagens e desvantagens da combusto de biomassa em leito fluidizado

Quando se opera com um determinado equipamento, conveniente ter presente quais as suas limitaes, de modo a poder tomar-se medidas, de modo a mitig-las. Assim sendo, os leitos



fluidizados oferecem pontos positivos e negativos durante da sua operao (Levenspiel & Kunii, 1991). As vantagens que os leitos fluidizados apresentam incluem:

a) A rpida mistura de slidos conduz a um comportamento isotrmico das partculas por todo o reactor e portanto permite que a operao seja controlada de forma simples e em tempo real;

b) Devido ao facto de existir uma boa mistura de slidos, a resistncia de todo o reactor mudana de temperatura muito grande. Responde de uma maneira no imediata a mudanas abruptas de condies operatrias e proporciona uma margem de segurana para excessos de temperatura que possam ocorrer devido a variaes no combustvel poderem proporcionar reaces fortemente exotrmicas;

c) Permite a remoo do excesso de cinzas do reactor durante a operao;

d) As taxas de transferncias de massa e calor entre as partculas e o gs so muito elevadas quando comparando com outros tipos de reactor;

e) A transferncia de calor de uma partcula imersa no leito muito elevada e como tal no exigido que as partculas possuam grandes reas superficiais;

As desvantagens que os leitos fluidizados apresentam incluem:

a) Para reactores de leito fluidizado que operam com partculas finas no leito, existe ineficincia no contacto das partculas com o combustvel, pois as condies de fluidizao normais so alteradas. Este problema adquire especial relevncia quando necessria uma elevada converso dos gases de reaco ou quando a exigncia a necessidade de dar especial nfase a uma reaco intermdia;

b) A rpida mistura dos slidos no leito leva a que o tempo de residncia no reactor, no seja igual para todas as partculas. Para o tratamento de resduos, onde exigido um tempo de residncia mnimo para todas as partculas, bem como uma elevada taxa de converso, obter tais resultados torna-se uma misso com dificuldade acrescida. Usualmente, para mitigar este problema de performance, existem reactores que apresentam uma recirculao;

c) Partculas de reduzido tamanho de combustvel ou de resduo podem ser elutriadas, ou seja, arrastadas com o escoamento gasoso. Estas, por condicionantes ambientais, legais ou de performance do sistema, devero ser retornadas ao leito. Tal processo pode ser efectuado com o recurso a despoeiradores secos, nomeadamente ciclones;

d) Fenmenos de eroso e abraso, provocadas pelo atrito das partculas do leito, podem provocar problemas srios aos componentes do reactor;

1.4. Objectivo

O principal objectivo deste trabalho centra-se em compreender a influncia do teor em matria voltil da biomassa, na queima em leito fluidizado borbulhante. Com este intuito, pretende-


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se desenvolver um conjunto de trabalhos tericos e experimentais que melhor ajudem a compreender os fenmenos que tm vindo a ser observados nos trabalhos experimentais, de combusto de biomassa.


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Captulo 2.

2.1. Fenmenos associados combusto de biomassa: secagem, pirlise, desvolatilizao e combusto

A combusto de biomassa apresenta diferenas significativas relativamente ao carvo, nomeadamente no que diz respeito, ao teor de matria voltil. Deste modo, convm referenciar quais os processos envolvidos e as fases pelas quais um combustvel com estas caractersticas passa quando queimo no leito fluidizado.

A combusto da biomassa processa-se segundo determinados processos fsico-qumicos. Segundo Scala (1997) quando uma partcula injectada do leito fluidizado, ocorrem um conjunto de quatro processos fsico-qumicos consecutivos (Figura 2-1).

Figura 2-1. Fases de decomposio de uma partcula de biomassa (adaptao de Scala, 1997)

Em primeiro lugar, a partcula comea por aquecer e secar, quando atinge temperaturas entre a temperatura de admisso e os 200C. Este um processo endotrmico e normalmente acompanhado de diminuio de tamanho da partcula. Tipicamente, os tempos de secagem so muito reduzidos, alguns segundos. Seguidamente, entre a temperatura de 200-500C, o combustvel comea a desvolatilizar. A desvolatilizao (ou pirlise) consiste na remoo de compostos ricos em hidrognio e oxignio da matriz slida do combustvel, pela degradao trmica da mesma acompanhada pela fragmentao do material. Este um processo que ocorre devido degradao trmica da biomassa, sendo a composio dos produtos gerados em funo das condies operatrias: tipo de biomassa, tamanho das partculas, densidade das partculas no leito, velocidade de aquecimento, temperatura inicial e final, tempo de exposio e presso (Tarelho, 2001). Esta fase ocorre num espao de tempo compreendido entre 10 a 100s. Segundo Saastamoinen, (2006) a secagem e a desvolatilizao so processos consecutivos que dependem do tempo (t) e do dimetro da partcula (d). Considera tambm que existe um gradiente de temperatura dentro da partcula e que o tempo de pirlise pode ser estimado, calculando a temperatura no centro da partcula em funo do tempo. Existe um conjunto de outros autores (Davidsson et al, 2004), que considera que em determinadas situaes, poder-se- considerar que a secagem ocorre ao mesmo tempo que a desvolatilizao. Estes autores propem que se defina um nmero de secagem, que basicamente o nmero de Damkhler. Este nmero relaciona a cintica de desvolatilizao com a velocidade de

Tempo (s)

Alimentao de combustvel Secagem Desvolatilizao Ignio Combusto



secagem, que so controladas pela transferncia de calor pela frente de secagem. Deste modo o nmero de secagem, Da, fornece uma informao temporal da relao entre a secagem e a desvolatilizao. Este conceito, demonstrado experimentalmente, fornece a informao para a escolha do modelo a utilizar para modelizar o processo em estudo, pois permite decidir dependendo da dimenso do nmero. Se o Da for pequeno ( < 10-1) significa que a secagem e a desvolatilizao tero de ser tratadas em separado. Se o nmero for prximo da unidade necessria informao mais detalhada para a escolha do modelo. Quando o nmero de secagem muito elevado (>102), o modelo pode ser simplificado, porque a secagem e a desvolatilizao ocorrem ao mesmo tempo.

A terceira fase compreende a queima dos volteis que ardem em fase homognea, uma parte acima do leito e uma dentro do leito. A localizao da libertao dos volteis e da combusto de grande importncia para o dimensionamento e a operao de um leito fluidizado, porque a combusto dos volteis produz uma quantidade significativa do total do calor libertado.

A quarta e ltima fase diz respeito s partculas de carbonizado que so formadas aquando da libertao dos volteis. O carbonizado maioritariamente formado por carbono e cinzas. A sua constituio difere significativamente da partcula inicial em termos de constituio qumica, porosidade e massa volmica. As reaces associadas combusto deste material so heterogneas. Esta combusto influenciada pela transferncia de calor e de massa de oxignio nas bolhas do leito. Os tempos de combusto do carbonizado podem ser na ordem dos milhares de segundos. No ir ser feita uma reviso aprofundada sobre a combusto do carbonizado, pois este assunto no entra no mbito do assunto deste trabalho.

Na literatura pode ainda ser encontrada uma outra diviso para os processos que ocorrem durante da combusto de biomassa. Por exemplo Basu (2006), refere que a combusto se processa segundo um conjunto de quatro eventos consecutivos: aquecimento e secagem, desvolatilizao e combusto dos volteis, diminuio do tamanho da partcula e fragmentao primria, e ainda combusto do carbonizado e fragmentao secundria.

Em outro trabalho, este assinado por Saastamoinen e Richard (1996), os autores consideram que a desvolatilizao controlada pela transferncia de calor, somente para partculas de biomassa grandes e consideram que a temperatura da superfcie de uma partcula, qual a secagem termina, pode exceder uma enorme influncia na temperatura qual a desvolatilizao comea. Tal implica que a secagem e a pirlise, em algum momento, ou em todo o processo se sobreponham.

De notar portanto, que no existem diferenas significativas quanto ao modo de como a combusto da biomassa se processa. O que se verifica que no existe um consenso acerca do momento em que se processa a secagem, pois existem autores que consideram que esta ocorre simultaneamente com a desvolatilizao e outros consideram que estas fases devero ser separadas.

2.2. Aquecimento da partcula

Para melhor compreender os fenmenos associados libertao de volteis, importante conhecer os mecanismos de transferncia de calor para as partculas de biomassa, pois a libertao deste tipo de compostos est intimamente ligada com o aquecimento da partcula.


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Existe uma vasta literatura, em torno dos mecanismos de transferncia de calor que dominam o aquecimento de partculas de carvo, e como tal poderia pensar-se em adoptar estes modelos queima de biomassa. Porm, existem diferenas significativas em termos de propriedades fsicas (densidade, porosidade, rea especfica das partculas, resistncia transferncia de massa e calor, etc.), entre o carvo e a biomassa. Como tal, o trabalho desenvolvido para o estudo da transferncia de calor para o caso do carvo no dever ser aplicado biomassa, pois devido a algumas diferenas entre estes dois tipos de materiais, o aquecimento de uma partcula de biomassa de certo que no ir ocorrer do mesmo modo que o de uma partcula de carvo. No sendo possvel aplicar os modelos de aquecimento de partculas desenvolvidos para o carvo, necessrio um aprofundamento do conhecimento das especificidades da biomassa durante este processo, para que com o rigor possvel, se possa modelizar o seu aquecimento.

2.2.1. Modelos de aquecimento

As partculas de biomassa, apresentam tipicamente dimetros muito superiores aos apresentados pelas partculas de carvo. Existem tambm parmetros operacionais e ambientais a considerar, nomeadamente no que se refere elutriao que poder ocorrer s partculas de biomassa numa cmara de combusto. A biomassa apresenta uma densidade (300 a 500 kg/m3no processada por exemplo como os pellets), que consideravelmente inferior do carvo (1500-1900 kg/m3) e como tal, as partculas deste material podero ser arrastadas com o escoamento gasoso. Daqui deriva outro problema, relacionado com o tempo de residncia das partculas no reactor, que, pelo facto poderem ser arrastadas com o escoamento gasoso, o seu tempo de residncia acaba por ser muito pequeno, relativamente quele que seria necessrio para a sua converso termoqumica. De relembrar que a biomassa apresenta tambm teores em matria voltil e de heterogeneidade na constituio, superiores aos do carvo.

Existem vrias formas de abordar os mecanismos pelos quais o aquecimento da biomassa se processa, durante a sua converso termoqumica. Os autores Babu e Churasia, (2002); consideram que a transferncia de calor se faz com base nos seguintes mecanismos: conduo dentro da partcula (consideram tambm que existe conveco dentro dos poros da partcula, mas para simplificar excluem este mecanismo do modelo), conveco e radiao na superfcie da partcula.

Uma outra forma de encarar o problema dada por Bhorodwaj et al (2004), que consideram um modelo que assume que o aquecimento, a secagem e a desvolatilizao ocorrem simultaneamente na partcula. Este modelo defende que a partcula esfrica e que a variao de massa e de temperatura ocorre na direco radial. Estes autores consideram tambm que a resistncia transferncia de massa e calor afecta significativamente a desvolatilizao em partculas milimtricas (0,05-4mm), podendo estas resistncias ser desprezadas para partculas de tamanhos inferiores. Assim sendo, estas resistncias devem de ser includos nos modelos de aquecimento de partculas. Estes autores referem tambm, que o tamanho da partcula o maior factor para determinar as limitaes em termos de transporte de massa e transferncia de calor.

Outros autores como Saastamoinen, (2006); sugere que nas distribuies granulomtricas em que as partculas de biomassa normalmente se apresentam, no se pode considerar que uma partcula aquece toda ao mesmo tempo, como para o caso das partculas de carvo que normalmente apresentam uma granulomtria inferior. Este autor considera que existe uma frente de



aquecimento da partcula, ou seja, forma-se um gradiente de temperatura dentro da partcula. Consequentemente, alguns autores (Antal e Varhegyi, 1995), utilizam nos seus estudos partculas mais pequenas, a fim de garantir nmeros de Biot baixos, minimizando, deste modo, o gradiente de temperaturas dentro da partcula. Porm necessrio ter algum cuidado, pois a reaco de pirlise endotrmica e assim sendo, poder no existir energia suficiente para que se d a decomposio termoqumica da biomassa. Existem modelos mais elaborados para modelizar o aquecimento de partculas de biomassa, que possuem uma gama de valores do nmero de Biot para os quais so vlidos, porm a sua complexidade deixa-os fora deste trabalho.

Saastamoinen e Richard, (1996); apresentam um modelo de aquecimento unidimensional. Assumem a partcula homognea e porosa, para permitir o rpido escape dos produtos volteis. Consideram um termo para o calor acumulado, outro para o calor transportado por conveco e por radiao nos poros da partcula e tambm um termo para o arrefecimento provocado pela formao dos volteis. Consideram que no existe gua lquida na partcula, mas uma frente de secagem na direco do ncleo da mesma.

2.2.2. Modelo adoptado

Apesar do enorme leque de modelos de aquecimento de partculas de combustivel disponveis, neste trabalho optou-se por simplificar e considerar que a partcula aquece toda ao mesmo tempo, ou seja, trata-se de uma partcula isotrmica. Dentro da partcula o mecanismo de aquecimento por conduo, significa isto que a partcula no tem poros e que o aquecimento pelo exterior se efectua por conveco e por radiao.

O modelo de aquecimento apresentado, baseado no modelo de aquecimento proposto por Bharadwaj et al (2004) e foi desenvolvido para uma partcula de madeira. um modelo simples e tem como pressupostos: i) que a partcula de biomassa aquece isotermicamente, ii) homognea em toda a sua constituio, iv) no apresenta poros, v) a matria voltil liberta-se instantaneamente da partcula. O aquecimento da partcula efectuado por conveco e por radiao no exterior da partcula, e no seu interior a transferncia de calor faz-se por conduo.

O aquecimento da partcula descrito pela equao Eq 2-1. Como se pode verificar o modelo admite que a partcula aquecida por dois mecanismos de transferncia de calor. Por conveco e por radiao.

dT

dt=

hpAp9TG-T;+ApBTr4-T4Cmcp,biomassa

Eq 2-1

A rea superficial externa da partcula de biomassa considerada com a designao de Ap. Para o efeito considerou-se que a partcula apresenta uma configurao esfrica. A temperatura do gs, ou temperatura ambiente, na qual a partcula se encontra designada como TG; e T representa a temperatura da partcula e Tr figura como o valor da temperatura na superfcie da partcula, que por aproximao adquire no modelo, o mesmo valor de TG. Para nomear a massa da partcula representada por m, e cp,biomassa designa o calor especfico da biomassa.


19


O smbolo de hp refere-se ao coeficiente de transferncia de calor por conveco e que calculado recorrendo ao nmero de Nusselt:

Nu=hpD

kf

Eq 2-2

Que se pode obter determinar em funo das condies do escoamento em torno da partcula e que kf a condutividade trmica do gs. Igualando expresso Eq 2-3 referida por Bharadwaj et al (2004) retira-se hp:

Nu=2,00+B0,40Re0,50+0,06Re0,66CPr0,40

Eq 2-3

O nmero de Reynolds calcula-se pela expresso Eq 2-4 e o nmero de Prandtl Pr = 0,7 (referido na literatura (Bharadwaj et al ,2004) como uma aproximao valida).

Re=arvD

Eq 2-4

A viscosidade do gs calculado pode ser aproximada viscosidade do ar por recurso ao modelo que expressa pela equao Eq 2-5 e com os coeficientes a usar descritos na Tabela 2-1. (Matos, 2006a)

Bkgm-1s-1C=a0+ a1T+a2T2+a3T3

Eq 2-5

Tabela 2-1. Valores dos coeficientes para o clculo da viscosidade do ar

a0 a1 a2 a2 Gama (K) R 0,29906E-05 0,58545E-07 -0,25129E-10 0,62432E-14 200-2000 0,9999

Como se pode verificar na Figura 2-2 a partcula de biomassa com um dimetro de 4mm, quando colocada num meio a uma temperatura de 1200 K aquece muito rapidamente e ao final de 2,5 segundos, praticamente que j atingiu a temperatura do ambiente exterior.



Figura 2-2. Evoluo da temperatura de uma partcula de biomassa quando colocada num meio a 1200 K segundo o

pedro miguel caldeira influência da matéria volátil na ... · valores dos coeficientes de...

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