Projecto, Construção e Comissionamento de uma Unidade
Laboratorial de Valorização de Biomassa
João Nuno Branco Correia Pina
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Professor Doutor Viriato Sérgio de Almeida Semião
Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa
Júri
Presidente: Professor Doutor João Rogério Caldas Pinto
Orientador: Professor Doutor Viriato Sérgio de Almeida Semião
Vogal: Professor Doutor António Luís Nobre Moreira
Maio de 2014
i
Resumo
O presente trabalho centrou-se no projecto, construção, montagem e comissionamento de um reactor
experimental, adequado para o estudo das emissões de poluentes resultantes da queima de
diferentes tipos de biomassa, em condições de operação distintas. Realizaram-se dois tipos de
ensaios, onde se analisaram as emissões de O2, CO2, CO, NOx e HC. Os primeiros ensaios, de
comissionamento, visaram a preparação do reactor e o estudo dos efeitos do aumento da sua altura.
Os segundos, onde se estudou a influência do estagiamento de ar, basearam-se na investigação do
seu efeito nas emissões referidas. As principais conclusões deste trabalho foram as seguintes: 1) A
estrutura modular revelou-se adequada em termos da flexibilidade de configuração do reactor; 2)
Constatou-se que o aumento da altura do reactor maximiza em 53% o tempo de residência dos
gases, reduzindo as emissões de CO em cerca de 60%; 3) Verificou-se que o aumento do ar
secundário é acompanhado do aumento da concentração de O2 nos gases de exaustão; 4) Os
resultados parecem indicar que o aumento do ar secundário parece provocar um congelamento da
reacção de conversão de CO em CO2, resultando num aumento das emissões de CO e,
consequentemente, na redução de CO2; 5) Observou-se uma redução de cerca de 20% nas emissões
de NOx, para valores de ar secundário entre os 25 e 55%. Isto confirma a eficiência do estagiamento
de ar na redução deste poluente; 6) Para a carga térmica mais elevada, é possível estender a
percentagem de ar secundário até valores superiores, sem o detrimento da combustão.
Palavras-chave: Biomassa, reactor experimental, comissionamento, estagiamento de ar, swirl,
poluentes
ii
Abstract
The present work focuses on planning, constructing, assembling and commissioning of an
experimental reactor with the objective of developing a laboratorial appliance where different
biomasses types in different operational conditions can be studied. Two types of measurements were
performed, where the emissions of O2, CO2, CO, NOx e HC were evaluated. The first measurements,
of commissioning, were carried out to prepare the reactor and to study the effects of increasing its
height. The second measurements, the influence of air staging, were based on the analysis of this
technology in the emissions of the referred gases. The main conclusions of this work were the
following: 1) The modular structure has proved suitable in terms of flexibility of the reactor
configuration; 2) It was found that the reactor height increasing leads to gas residence time growth in
53%, reducing CO emissions in about 60%; 3) The increasing of secondary air percentage is followed
by the increasing of O2 concentration in flue gases; 4) It was found that the increasing of secondary air
causes the quenching of conversion reactions of CO in CO2; 5) With secondary air values between 25
and 55% it was observed a reduction of NOx emissions in about 20%. Confirming that air staging is a
good technology to control NOx emissions; 6) For the thermal load of 34 kW, it was verified that is
possible to extend the secondary air percentages to higher values, without the detriment of
combustion.
Key-words: Biomass, experimental reactor, commissioning, air staging, swirl, pollutants
iii
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer aos meus orientadores, Professor Viriato Semião e
Professor Mário Costa, pela orientação séria, exigência e disponibilidade. Gostaria ainda de
agradecer-lhes pela compreensão e amizade demonstrada ao longo da elaboração da dissertação.
Agradeço ao Sr. Pratas pela pronta ajuda e sugestões dadas ao longo da campanha experimental.
Aos Sr. Frade e Sr. Pedro pelo excelente trabalho na produção do reactor experimental, bem como a
disponibilidade e frontalidade.
Aos meus colegas e amigos do laboratório, Bruno Bernardes, Francisco Portela, António Silva, Isabel
Ferreiro, Mafalda Henriques, Ricardo Máximino, João Pires, Wang Gongliang e Ulisses Fernandes,
pelo apoio, espirito de entreajuda e amizade. Um especial agradecimento ao meu colega e amigo
Tiago Brito pela ajuda incansável no laboratório e também pela amizade.
Aos meus amigos e companheiros de curso, Ricardo Mimoso, João Mascarenhas, Ricardo Mesquita,
Cristóvão Soares, André Silvério, Gonçalo Luís e Pedro Nunes, pela partilha de experiências, ideias e
dificuldades, que em muito contribuíram para o meu crescimento pessoal e intelectual.
À minha família pelo enorme apoio e carinho revelados ao longo de todo o meu percurso de vida.
Finalmente, mas com igual importância, um enorme obrigado à Joana pelo apoio, compreensão,
carinho e paciência que demonstrou ao longo do meu curso.
iv
Índice de Geral
1.
Introdução ................................................................................................................................... 1
1.1.
Motivação e Objectivos ........................................................................................................... 1
1.2.
Revisão bibliográfica................................................................................................................ 6
1.2.1.
Biomassa para energia .................................................................................................... 6
1.2.2.
Tecnologias de conversão de biomassa ........................................................................ 10
1.2.3.
Combustão em grelha fixa............................................................................................. 12
1.2.4.
Estudos anteriores......................................................................................................... 17
1.3.
Contribuição da presente dissertação................................................................................... 23
1.4.
Organização da dissertação................................................................................................... 23
2.
Projecto do reactor experimental ............................................................................................. 24
2.1.
Introdução ............................................................................................................................. 24
2.2.
Corpo do reactor ................................................................................................................... 24
2.3.
Grelha fixa ............................................................................................................................. 27
2.4.
Sistema de alimentação de ar ............................................................................................... 28
2.4.1.
Ar primário .................................................................................................................... 28
2.4.2.
Ar secundário ................................................................................................................ 28
2.5.
Sistema de alimentação de sólidos ....................................................................................... 29
2.6.
Sistema de exaustão.............................................................................................................. 31
2.7.
Sistema de ignição ................................................................................................................. 32
2.8.
Instrumentação ..................................................................................................................... 33
2.9.
Operação do reactor ............................................................................................................. 34
2.9.1.
Arranque ........................................................................................................................ 35
2.9.2.
Condições de operação ................................................................................................. 35
2.10.
Segurança e manutenção do reactor ................................................................................ 37
2.11.
Técnicas de medida e incertezas experimentais ............................................................... 38
2.11.1.
Espécies químicas .......................................................................................................... 38
2.11.2.
Temperatura.................................................................................................................. 40
2.11.3.
Pressão .......................................................................................................................... 40
2.12.
3.
Valor acrescentado pelo reactor experimental................................................................. 41
Resultados e Discussão.............................................................................................................. 42
3.1.
Introdução ............................................................................................................................. 42
3.2.
Comissionamento e influência da configuração do reactor.................................................. 42
v
3.3.
4.
5.
Influência do estagiamento de ar.......................................................................................... 48
Fecho ......................................................................................................................................... 54
4.1.
Conclusões............................................................................................................................. 54
4.2.
Trabalhos Futuros.................................................................................................................. 55
Referências ................................................................................................................................ 56
vi
Anexo A Desenhos técnicos
Anexo B Caldeira comercial wodtke
Anexo C Conversão de unidades dos poluentes
vii
Índice de Figuras
Figura 1.1- Comparação entre as emissões de CO2 resultantes da combustão nos anos de 1973 e
2011 [1] ................................................................................................................................................... 1
Figura 1.2- Cotação do barril de crude em USD [1]................................................................................. 1
Figura 1.3- Cotação da tonelada de carvão em USD [1].......................................................................... 1
Figura 1.4- Cotação do gás natural em USD por MBtu [1] ...................................................................... 2
Figura 1.5- Previsões do fim dos stocks de combustíveis fósseis dada actual extracção [2] .................. 2
Figura 1.6- Consumo energético mundial [3] .......................................................................................... 2
Figura 1.7- Fontes de energia renovável na EU-27 e na zona Euro em 2010 [6] .................................... 3
Figura 1.8- Grande escala [12]................................................................................................................. 5
Figura 1.9- Média escala [12] .................................................................................................................. 5
Figura 1.10- Escala doméstica [12] ......................................................................................................... 5
Figura 1.11- Preço dos combustíveis domésticos típicos em libras [12]................................................. 5
Figura 1.12- Influência da humidade no PCI [9] ...................................................................................... 7
Figura 1.13- Conversão termoquímica [25]........................................................................................... 10
Figura 1.14- Tecnologias de combustão directa [9] .............................................................................. 11
Figura 1.15- Zonas de térmicas [30] ...................................................................................................... 14
Figura 1.16- Redução mássica temporal de uma partícula de madeira com 100mg [32] .................... 14
Figura 1.17- Redução mássica em função da temperatura de uma partícula de madeira com 50mg
[32] ........................................................................................................................................................ 15
Figura 1.18- Fases da combustão de sólidos e respectivos produtos [28]............................................ 16
Figura 2.1- Propriedades dos aços inoxidáveis [51] .............................................................................. 25
Figura 2.2- Configurações do reactor com dois e três módulos ........................................................... 25
Figura 2.3- Compilação de imagens do corpo do reactor: a) modulo1, b) configuração de dois
módulos sem isolamento, c) imagem da instalação experimental, d) janela de observação............... 26
Figura 2.4- Grelha fixa ........................................................................................................................... 27
Figura 2.5- Ilustração em 3D da grelha fixa ........................................................................................... 27
Figura 2.6- Esquema do sistema de alimentação de ar: a) rotâmetro ar secundário, b) rotâmetro ar
primário, c) entradas de ar, d) ilustração 3D das entradas de ar, e) zoom das entradas de ar ............ 29
Figura 2.7- Esquema do funcionamento do sistema de alimentação em mola .................................... 29
Figura 2.8- Compilação de imagens do sistema de alimentação de combustível: a) depósito e motor,
b) funil metálico e tubo de alimentação, c) base do depósito e mola, d) reóstato, f) sistema de
alimentação ........................................................................................................................................... 31
Figura 2.9- Válvula de exaustão: a) vista lateral, b) vista interior ......................................................... 32
Figura 2.10- Compilação de imagens do sistema de ignição: a) forno eléctrico, b) resistência
eléctricas, c) termopar do forno, d) dispositivo de controlo P.I.D ........................................................ 32
Figura 2.11- Esquema resumo do reactor experimental....................................................................... 33
Figura 2.12- Valores dos caudais mássicos para as velocidades de rotação 0 e 1 ................................ 36
Figura 2.13- Ar primário com rotâmetro a 60% da sua capacidade: arrastamento de partículas,
assinaladas a vermelho ......................................................................................................................... 37
Figura 2.14- Sonda em aço inox com arrefecimento indirecto a água ................................................. 38
Figura 2.15- Esquema do sistema de amostragem ............................................................................... 39
Figura 2.16- Esquema da constituição do termopar ............................................................................. 40
viii
Figura 3.1- Configuração do reactor com dois e três módulos ............................................................. 43
Figura 3.2- Posicionamento da sonda e do termopar para o ensaio de comissionamento com três
módulos: ar primário e secundário de 150 e 50 l/min. ......................................................................... 43
Figura 3.3- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de dois módulos-Porta2 ............... 43
Figura 3.4- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de dois módulos-Porta2 ............... 44
Figura 3.5- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta2................. 45
Figura 3.6- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta2 ................ 45
Figura 3.7- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta1................. 47
Figura 3.8- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta1 ............... 47
Figura 3.9- Temperatura no queimador para os testes de comissionamento ...................................... 48
Figura 3.10- Imagem da chama com 75% de ar secundário: presença de fumos negros ..................... 49
Figura 3.11- Imagem da chama com 55% de ar secundário ................................................................. 49
Figura 3.12- Emissões de O2 e CO2 em função do % de ar secundário para 14kW ............................... 50
Figura 3.13- Emissões de NOx e CO em função do % de ar secundário para 14kW .............................. 50
Figura 3.14- Temperatura no queimador e porta1 em função do % de ar secundário para 14kW ...... 51
Figura 3.15- Emissões de O2 e CO2 em função do % de ar secundário para 34kW ............................... 52
Figura 3.16- Emissões de NOx e CO em função do % de ar secundário para 34kW .............................. 52
Figura 3.17- Temperatura no queimador e porta1 em função do % de ar secundário para 34Kw ...... 53
ix
Índice de Tabelas
Tabela 1.1- Comparação entre as características da biomassa e carvão [18] ........................................ 8
Tabela 1.2- Índice de formação de depósitos e incrustações [21] .......................................................... 9
Tabela 1.3- Poluentes emitidos na combustão da biomassa [23]......................................................... 15
Tabela 2.1- Propriedades das pellets de pinho ..................................................................................... 34
Tabela 2.2- Média e desvio padrão dos caudais mássicos para as velocidades de rotação 0 e 1 ........ 36
Tabela 2.3- Tipo e método de análise dos analisadores ....................................................................... 39
Tabela 3.1- Tempos de residência mínimos para as duas configurações ............................................. 46
x
Nomenclatura
Abreviaturas
ar: as received
b.h. base húmida
b.s.: base seca
CDR: Combustível Derivado de Resíduo
COV: Compostos Orgânicos Voláteis
da: diâmetro aerodinâmico
daf: dry ash free
db: dry basis
HC: Hidrocarbonetos
PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
PM: Particle Matter
PMtot: Particle Matter, total
PM1: Particle Matter with aerodynamic diameter less than 1µm
PCI: Poder Calorífico Inferior
PCS: Poder Calorífico Superior
PCDD: Policlorodibenzeno-p-dioxinas
PCDF: Policlorodibenzenofuranos
RSU: Resíduos Sólidos Urbanos
UE: União Europeia
xi
1. Introdução
1.1.
Motivação e Objectivos
No mundo industrializado e desenvolvido em que vivemos, é impensável viver sem energia. Nos
últimos anos, assistiu-se ao aumento das preocupações a nível ambiental e da sustentabilidade
energética. Assim, é importante explorar novas fontes de energia, como é o caso das energias
renováveis em vez do uso de combustíveis fósseis.
Para além das emissões de poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis (ver Figura
1.1), a crescente escalada de preços (ver Figura 1.2, Figura 1.3 e Figura 1.4), a sua escassez de
reservas (ver Figura 1.5) e a elevada procura energética mundial (ver Figura 1.6), levam a que a
segurança e sustentabilidade energética estejam no topo da agenda política internacional.
Figura 1.1- Comparação entre as emissões de CO2 resultantes da combustão nos anos de 1973 e 2011 [1]
Figura 1.2- Cotação do barril de crude em USD [1]
Figura 1.3- Cotação da tonelada de carvão em USD [1]
1
Figura 1.4- Cotação do gás natural em USD por
MBtu [1]
Figura 1.5- Previsões do fim dos stocks de
combustíveis fósseis dada actual extracção [2]
Figura 1.6- Consumo energético mundial [3]
No seguimento dessas preocupações a Comissão Europeia, em Março de 2007, definiu três
objectivos para o ano de 2020, objectivos estes apelidados como “20-20-20”, que a seguir se
apresentam:

Reduzir em 20% as emissões de gases com efeito de estufa na UE, relativamente aos níveis
de 1990;

Aumentar a contribuição de energia de fonte renovável na UE em 20%;

Melhorar a eficiência energética na UE em 20%.
2
De entre os gases com efeito de estufa, podem salientar-se o CO2 e o CH4, representando cerca de
63% e 19% do total das emissões [4], respectivamente, sendo o CH4 vinte e uma vezes mais
prejudicial que o CO2 [5].
De acordo com a Figura 1.7, no ano de 2010, a biomassa foi a fonte de energia renovável com uma
maior contribuição para o total da energia primária de origem renovável na Europa a 27.
Figura 1.7- Fontes de energia renovável na EU-27 e na zona Euro em 2010 [6]
Biomassa é o nome dado a toda a matéria viva existente e está entre os recursos mais preciosos e
versáteis do planeta. A energia proveniente do sol é a sua fonte energética, sendo armazenada
quimicamente nas plantas e animais [7].
Segundo a Directiva Europeia de 23 de Abril de 2009, 2009/28/CE, a biomassa é “a fracção
biodegradável de produtos, desperdícios e resíduos de origem biológica provenientes da agricultura
(incluindo substâncias vegetais e animais), da silvicultura e indústrias conexas, incluindo a pesqueira
e aquacultura, bem como a fracção biodegradável de resíduos industriais e sólidos urbanos ”.
Dado que durante o seu crescimento a biomassa consome a mesma quantidade de CO2 atmosférico
que é emitida durante a sua combustão [8], pode considerar-se neutra do ponto de vista das
emissões desse gás. Desta forma poderá considerar-se a sua queima como uma alternativa ao uso
de combustíveis fósseis. É de salientar que os processos de recolha e transporte da biomassa
também conduzem a emissões de CO2, pelo que a neutralidade referida diz somente respeito à sua
combustão. Como tal, para o balanço das emissões de CO2, a relação entre a proximidade da fonte e
o seu local de utilização apresenta um papel crucial.
De entre todas as tecnologias de conversão de biomassa, a combustão é a dominante, mais simples
e melhor estabelecida, representando cerca de 90% da contribuição da bioenergia a nível global [9].
Por este motivo a presente dissertação focaliza a atenção nesta tecnologia.
A principal vantagem do uso da biomassa face às outras fontes de energia renovável é a
possibilidade de esta ser aplicada num curto prazo. Os equipamentos originalmente concebidos para
a queima de combustíveis fósseis são facilmente convertíveis, com pequenas ou nenhumas
modificações. Outra grande vantagem do uso da biomassa é a menor dependência de factores
externos, como por exemplo, a falta de vento ou de sol para as energias eólica e solar,
respectivamente. Para além disso, a biomassa pode ser armazenada com relativa facilidade, ao
3
contrário das energias anteriores. Quando comparada com a energia hídrica, a biomassa também
ganha vantagem no que diz respeito à sua possível utilização, pois enquanto grande parte dos
recursos hídricos existentes já se encontrarem explorados, a disponibilidade da biomassa é ainda
muito vasta.
O cultivo de terrenos baldios (com culturas energéticas de rápido crescimento), a produção de
biocombustíveis líquidos (biodiesel) e gasosos (biogás) e a produção de pellets dos mais variados
tipos de biomassa (como, por exemplo, resíduos agrícolas e florestais), poderão ser factores de
crescimento e aproveitamento económico a nível regional e nacional. No entanto, caso as
possibilidades anteriores se tornem uma realidade em larga escala, há que salvaguardar certos
aspectos sociais como, por exemplo, a competição de terrenos e recursos para a produção de
biomassa em detrimento da produção de alimentos, e aspectos ambientais como, por exemplo, o
cultivo de biomassa em áreas florestais, para que a produção de biomassa se torne sustentável.
Por outro lado, a grande desvantagem da utilização da biomassa é a emissão de poluentes sólidos e
gasosos resultantes da sua combustão, com repercussões para a saúde, ambiente e
operacionalidade dos equipamentos. As tecnologias de combustão de biomassa acarretam um
elevado custo de investimento em equipamento de limpeza dos gases e filtros de partículas, onde, de
acordo com [10], cerca de 35% do custo de uma central eléctrica está directamente ligada com as
limitações de emissões para o ar. Mais, a utilização de biomassa requer geralmente a implementação
de boas práticas de manuseamento e pré-tratamento (físico, térmico ou químico), devido à
possibilidade da presença de sílica e metais alcalinos que podem danificar os equipamentos [11].
A energia proveniente da biomassa pode ser gerada em grande, média e pequena (ou doméstica)
escala.
Na grande escala é valorizada individualmente ou em co combustão com o carvão em centrais
termoeléctricas. Normalmente, neste tipo de instalações, a biomassa é alimentada na sua forma bruta
(ver Figura 1.8), isto é, sem qualquer tipo de processamento. As biomassas mais utilizadas são os
desperdícios de madeira (proveniente de resíduos florestais ou de industrias madeireiras), as culturas
energéticas de curta rotação e os RSU.
Na média escala, como nos casos dos apartamentos, escritórios e unidades industriais, é utilizada em
sistemas de cogeração ou simplesmente em sistemas de aquecimento centralizado (ver Figura 1.9).
Nesta escala, a biomassa é normalmente valorizada sob a forma de chips ou pellets.
Finalmente, no sector doméstico, a biomassa é utilizada exclusivamente para aquecimento em
caldeiras e fornos a pellets (ver Figura 1.10), competindo com o gás natural, o GPL e o petróleo
liquido (ver Figura 1.11) [12]. No futuro, pretende-se utilizar estas caldeiras para a micro-geração de
electricidade. No entanto, neste sector os pellets ainda não rivalizam com os restantes combustíveis
[13].
4
Figura 1.8- Grande escala [12]
Figura 1.9- Média escala [12]
Figura 1.10- Escala doméstica [12]
Figura 1.11- Preço dos combustíveis domésticos típicos em libras [12]
5
No sector doméstico, a maioria das unidades de combustão não está dotada de uma eficiente
limpeza/tratamento de gases, resultando em elevadas emissões de poluentes. A ausência de um
sistema de limpeza é verificada para instalações com capacidade inferior a 1 MW térmico e a explicação
deve-se à sua inviabilidade económica [14]. A esta escala, é necessário um maior controlo ao nível
da combustão, de forma a mitigar as emissões de poluentes.
É no âmbito da utilização da biomassa à escala doméstica que o presente trabalho se insere. De
facto, tendo em conta todas as condicionantes e desafios da utilização da biomassa enquanto
alternativa energética, a presente dissertação apresenta o projecto, construção e os ensaios de um
reactor experimental, com o intuito de estudar e compreender os mais variados fenómenos
decorrentes da combustão de diferentes tipos de biomassa, em particular, as emissões de espécies
químicas e partículas, resultantes da sua queima.
1.2. Revisão bibliográfica
1.2.1. Biomassa para energia
A biomassa pode ser agrupada em culturas energéticas ou resíduos. As culturas energéticas incluem
culturas lenhosas e agrícolas, enquanto os resíduos contemplam os desperdícios florestais, animais e
de indústrias madeireiras, águas residuais e RSU [15].
Compete principalmente com o carvão, por se tratarem ambos de combustíveis sólidos. Será
importante comparar estes dois combustíveis para uma melhor compreensão do comportamento da
combustão da biomassa.
A grande diferença entre a biomassa e os combustíveis de origem fóssil reside na escala temporal da
sua formação.
Para efeitos de queima, o combustível é geralmente analisado a nível imediato, elementar e em
termos de poder calorífico. A análise imediata determina a fracção mássica de voláteis, carbono fixo,
humidade e cinzas presentes no combustível, enquanto a análise elementar fornece as fracções
mássicas de C, S, H, N, Cl e O [16].
Embora as características dos combustíveis derivados de biomassa tenham uma grande
variabilidade, dependendo da origem da matéria-prima, colheita, transporte, pré-tratamento e
armazenamento, existem propriedades que os fazem consideravelmente diferentes dos combustíveis
fósseis. Estas diferenças têm um papel importante no que diz respeito à emissão de poluentes.
Comparativamente com o carvão, onde as cinzas são dominadas por minerais inclusivos (formados
na mesma escala temporal que o carvão), como o Silício (Si), Alumínio (Al) e Ferro (Fe), os
combustíveis derivados de biomassa são ricos em nutrientes essenciais ao seu crescimento, como
Cálcio (Ca), Potássio (K), Sódio (Na) e Fósforo (P) [8]. Os principais elementos constituintes da
biomassa, por ordem decrescente de abundância, são geralmente C, O, H, N, Ca, K, Si, Mg, Al, S,
6
Fe, P, Cl e Na, mais Mn, Ti e outros metais de transição. Em comparação com o carvão, a biomassa
é normalmente: (1) altamente enriquecida em Mn> K> P> Cl> Ca> (Mg, Na)> O> humidade> material
volátil; (2) ligeiramente enriquecida em H; (3) tem menor conteúdo de Al, C, Fe, N, S, Si e Ti. [17].
Um dos parâmetros que definem a qualidade do combustível é o poder calorífico, que expressa a
quantidade de calor libertada pela combustão completa de uma unidade de combustível (massa ou
volume). Estão consagrados na literatura dois tipos de poder calorífico: o Poder Calorífico Superior
(PCS) e Poder Calorífico Inferior (PCI). A diferença entre ambos reside no estado físico em que se
encontra a água nos produtos de combustão. Quanto menor for o teor de humidade no combustível
maior será o seu poder calorífico (ver Figura 1.12).
Figura 1.12- Influência da humidade no PCI [9]
O poder calorífico superior de um combustível sólido (em base seca) pode ser calculado pela
seguinte relação empírica [9], em que
= 0,3491.
+ 1,1783.
é a fracção mássica do componente :
+ 0,1005.
− 0,0151
− 0,1034
− 0,0211
[
]
Um aumento das fracções mássicas de C, H e S induz um aumento do PCS, enquanto que para as
fracções mássicas de N,O e cinzas, a tendência é a oposta.
Com base na Tabela 1.1, a relação empírica anterior permite constatar que o PCS do carvão é
superior ao da biomassa.
7
Tabela 1.1- Comparação entre as características da biomassa e carvão [18]
Análise
Biomassa
Carvão betuminoso
17– 23% biomassa lenhosa;
Carbono fixo (b.s.)
12– 23% culturas energéticas.
55%
77–83% biomassa lenhosa;
Voláteis (b.s.)
69–82% culturas energéticas.
39%
<2.5% biomassa lenhosa;
Cinzas (b.s.)
2– 14% culturas energéticas.
1– 12%
30–60% biomassa lenhosa;
Humidade (b.h.)
8–30% culturas energéticas.
2– 15%
49–55% biomassa lenhosa;
Carbono (b.s.)
43–49% culturas energéticas.
76%
Hidrogénio (b.s.)
5– 7% biomassa lenhosa e culturas energéticas.
4,4%
Oxigénio (b.s.)
35– 45% biomassa lenhosa e culturas energéticas.
5,7%
< 0,7% biomassa lenhosa;
Azoto (b.s.)
0,2–1,54% culturas energéticas.
1,4%
< 0,07% biomassa lenhosa;
Enxofre (b.s.)
0,07–0,16% culturas energéticas.
0,5– 1,5%
<0,1% biomassa lenhosa;
Cloro (b.s.)
0,07– 0,18% culturas energéticas.
0,1%
(exemplo: palha e erva).
<0,04% biomassa lenhosa;
Potássio (b.s.)
<1% for culturas energéticas.
3
Massa volúmica (kg/m )
PCS (MJ/kg)
0,06– 0,15%
100– 700 biomassa lenhosa e culturas energéticas
(700– 1000 para pellets)
850– 1200
14– 19 MJ/kg (ar seco) culturas energéticas;
15– 20 MJ/kg (ar seco) biomassa lenhosa.
28
Devido ao seu menor poder calorífico, a biomassa tem uma temperatura adiabática de chama menor
e uma pior estabilidade de chama [8].
A composição das cinzas (material inorgânico presente no combustível) na biomassa é dominada por
metais alcalinos com baixo ponto de fusão [19], contrariamente às cinzas do carvão. Por esse motivo,
na combustão da biomassa são emitidas mais cinzas volantes finas [20].
De facto, Miles et al. [21] estabeleceram um índice de formação de depósitos e incrustações, que
relaciona a quantidade de óxidos de metais alcalinos e o poder calorífico, em GJ (ver Tabela 1.2). A
explicação para escolha destes compostos deve-se ao facto destes metais alcalinos se encontrarem
na biomassa sob a forma de óxidos.
8
Tabela 1.2- Índice de formação de depósitos e incrustações [21]
Formação de depósitos e
Kg (K2O + Na2O) / GJ
incrustações
<0,17
Pouco significativo
0,17;0,34
Significativo
>0,34
Grave
Para a generalidade dos carvões, o referido índice é inferior a 0,1 kg/GJ, enquanto que para culturas
de rápido crescimento é superior a 1 kg/GJ.
A biomassa, mesmo que densificada, tem menor densidade e friabilidade do que o carvão [8],
correspondendo esta última característica à capacidade de o combustível se degradar, sendo
deveras importante no que diz respeito à formação de partículas.
No sector doméstico, a forma mais comum da utilização de biomassa é sob a forma de pellets
(combustível densificado). Esta foi uma maneira encontrada para fazer face à baixa densidade com
que a biomassa se encontra na natureza. Os pellets, comparativamente com a biomassa no seu
estado original, têm inúmeras vantagens [13], [22] e [23]:

Facilitam a utilização de certos tipos de biomassa que não poderiam ser queimados em
grelha fixa, como por exemplo a casca de arroz;

Têm menor teor de humidade, pelo que a combustão se dará em melhores condições e a
degradação do combustível armazenado será menor;

Têm maior densidade energética, maior rendimento térmico e portanto, o custo por unidade
de energia é mais reduzido;

Exibem maior facilidade de armazenamento e transporte;

Permitem uma combustão uniforme;

Asseguram uma alimentação mais eficiente;

Garantem maior segurança no armazenamento, com menor risco de combustão espontânea;

Dão origem a uma menor emissão de partículas.
Resumidamente, as propriedades da biomassa que mais afectam a combustão podem ser agrupadas
em propriedades físicas, químicas e térmicas. As propriedades físicas incluem a porosidade, área de
superfície interna, dimensão, forma e densidade. As propriedades químicas englobam as análises
elementar e imediata, análise dos produtos da pirólise, poder calorífico do combustível, calor de
pirólise, poder calorífico dos voláteis e do resíduo carbonoso. As propriedades térmicas incluem o
calor específico, condutibilidade térmica e emissividade, que variam com o teor de humidade,
temperatura e degradação térmica [8].
9
Apresentadas as principais características da biomassa, a secção seguinte expõe as tecnologias
actualmente usadas para a sua valorização. Em particular, as tecnologias que se dedicam à sua
queima.
1.2.2. Tecnologias de conversão de biomassa
As tecnologias de conversão de biomassa podem ser divididas em dois grandes grupos: conversão
bioquímica e conversão termoquímica. Na conversão bioquímica são utilizadas bactérias que
decompõem a matéria orgânica, libertando gases com potencial energético. Dois exemplos deste tipo
de conversão são a produção de biogás e de etanol [24]. Na conversão termoquímica são utilizados
processos que utilizam calor. Neste processo estão presentes a pirólise, gaseificação, liquefacção e a
combustão directa (ver Figura 1.13).
Figura 1.13- Conversão termoquímica [25]
Nos primeiros três processos a conversão termoquímica é indirecta, uma vez que o calor é
armazenado quimicamente sob a forma de combustível (gasoso, sólido e líquido), podendo ser
utilizado quando necessário (e não imediatamente) como no caso da combustão directa [26].
A presente dissertação focaliza a atenção na combustão directa por ser a tecnologia dominante, mais
simples e melhor estabelecida.
Tecnologias de combustão directa
Existem diferentes tecnologias para a combustão directa de sólidos [9] (ver Figura 1.14):

Combustão em grelha fixa;

Combustão em leito fluidizado;

Combustão com combustível pulverizado (ou combustão em suspensão).
10
Figura 1.14- Tecnologias de combustão directa [9]
Na combustão em grelha fixa estão englobadas diferentes tipos de grelhas, tais como as fixas,
móveis, de deslocamento, rotativas e vibrantes [9]. Nesta tecnologia, o ar primário é insuflado sob a
grelha e na maioria destes sistemas a insuflação de ar é efectuada em duas ou mais zonas, de modo
a melhorar a oxidação dos gases e partículas provenientes da zona primária de combustão. O
transporte de combustível é assegurado por efeito gravítico, dada a inclinação da grelha ou do
alimentador. A combustão ocorre sobre a grelha.
Na combustão em leito fluidizado o combustível é misturado com uma massa de material inerte,
geralmente areia, que é fluidizada pela passagem de gases (geralmente ar) através do leito.
Dependendo da velocidade com que os gases são insuflados sob o leito (velocidade de fluidização),
assim se pode distinguir, respectivamente para menores ou maiores velocidades, a combustão em
leito fluidizado borbulhante ou circulante. No leito circulante é necessário a incorporação de um ou
mais ciclones, com o intuito de captar o material inerte arrastado pelo gás de fluidização. A
combustão ocorre em suspensão numa mistura de gás e material constituinte do leito [9].
Na combustão com combustível pulverizado, este tem de ter dimensões reduzidas, tipicamente
diâmetros médios inferiores a 2 mm, e baixo teor de humidade. O combustível é admitido na caldeira
por intermédio de queimadores e a combustão ocorre em suspensão, geralmente após a insuflação
de ar secundário [9].
À escala doméstica a tecnologia de combustão dominante é a grelha fixa [5] e dado que a presente
dissertação se foca na combustão a esta escala, esta tecnologia será aprofundada.
As fornalhas com tecnologia de combustão em grelha fixa têm as seguintes vantagens: conseguem
lidar com uma grande variedade de combustíveis de diferentes dimensões, formas e teores de
humidade (até 60%) [9]; o custo de investimento e manutenção, para instalações até 10 MW térmicos, é
inferior às restantes tecnologias de combustão [27]; têm uma menor quantidade de poeiras nos
11
efluentes gasosos; são menos sensíveis a depósitos (slag) e aglomerações, quando comparadas
com a combustão em leito fluidizado [27].
Como desvantagens, na tecnologia de combustão em grelha fixa, podem enumerar-se as seguintes:
existe a necessidade de utilização de tecnologia especial para reduzir de maneira eficiente as
emissões de NOx (combinação entre a relação ar primário-ar secundário); a combustão é
heterogénea, ao contrário da combustão em leito fluidizado (o facto de não haver controlo sobre a
alimentação e sua distribuição faz com que a mistura ar-combustível não seja homogénea em toda a
superfície da grelha); não é permitida a mistura entre combustíveis lenhosos e herbáceos, devido às
diferenças relativas à própria combustão, ao teor de humidade e ao teor de metais com baixo ponto
de fusão dos combustíveis em questão; a operação a carga parcial requer tecnologia especial, de
modo a garantir uma baixa emissão de poluentes [9]; requer um elevado excesso de ar e,
consequentemente, tem uma menor eficiência energética [27]; as cinzas volantes têm um elevado
conteúdo de fuligem [5].
1.2.3. Combustão em grelha fixa
A combustão de biomassa contempla uma série de reacções químicas em que o carbono é oxidado
em dióxido de carbono e o hidrogénio é oxidado em água. Estas reacções químicas, complexas,
podem ser agrupadas em três fases: aquecimento e secagem, volatilização e combustão do resíduo
carbonoso (ou char).
Em aplicações de pequena escala, a alimentação do combustível pode ser continua ou por lotes
(batch combustion). Nesta última existe uma separação distinta entre a volatilização e a combustão
do resíduo carbonoso, no tempo e no espaço [9], enquanto na primeira as três fases podem ocorrer
em simultâneo no leito de combustível [28].
O aquecimento e secagem são sempre a primeira fase da conversão do sólido. O sólido é aquecido
por convecção oriunda da envolvente quente e por radiação proveniente da chama de partículas
vizinhas e das paredes da câmara de combustão. O calor recebido é transferido para o interior do
sólido por condução e quando a temperatura de 100 °C é atingida este começa a secar, libertando
vapor de água pelos seus poros, o que vai arrefecer a sua superfície e a envolvente. Devido ao seu
carácter endotérmico, esta primeira fase necessita de fornecimento de calor até ao seu término. O
teor de humidade tem como limite o valor de 60% da massa do sólido [9], a partir do qual a energia
requerida para evaporar a humidade e aquecer os reagentes é superior à energia da própria
combustão, resultando na extinção do processo de combustão. Comparando com o carvão, Tillman
[29] concluiu que a biomassa liberta significativamente mais voláteis durante o processo de secagem.
A volatilização é caracterizada pela libertação de voláteis [30], englobando a pirólise e a gaseificação.
A pirólise e a gaseificação são processos de degradação térmica causados pelo fornecimento de
calor. A pirólise ocorre na ausência de um agente oxidante externo, enquanto a gaseificação ocorre
no seio de um agente oxidante (ar, oxigénio, vapor de água ou dióxido de carbono) em quantidades
12
insuficientes para que a oxidação seja completa, isto é, existir uma combustão sob a forma de chama
de difusão [9].
Os produtos da volatilização consistem principalmente em H2O, CO2, CO, H2, hidrocarbonetos leves
(principalmente CH4), hidrocarbonetos pesados (alcatrões) e resíduo carbonoso [9]. À medida que a
temperatura aumenta, as emissões de CO2 diminuem e aumentam as de CO e H2 [23]. A quantidade
destes produtos depende do tipo de biomassa e das condições de operação.
A volatilização desempenha um papel importante na combustão da biomassa, dado a sua elevada
percentagem de voláteis ver Tabela 1.1 (tipicamente 80%). A volatilização da biomassa inicia-se a
uma temperatura compreendida entre os valores de 160-250 °C, contrastando com os 350 °C para o
carvão betuminoso [14]. Os voláteis são libertados através dos poros e fissuras e, uma vez atingindo
a superfície, reagem com o ar envolvente criando uma chama de difusão nas imediações do sólido. O
calor libertado pela chama é transferido para a partícula, auxiliando os processos de secagem e de
volatilização. A quantidade e o tipo de espécies formadas dependem principalmente da temperatura,
pressão, taxa de aquecimento e tempo de reacção [9].
A madeira volatiliza a uma gama de temperaturas compreendida entre 200-500 °C. Caso a
temperatura seja inferior a 500 °C, alguns voláteis permanecem no combustível, resultando num
resíduo carbonoso de boa qualidade. Se, pelo contrário, a temperatura for superior a 500 °C, a
volatilização torna-se completa, restando um resíduo carbonoso isento de voláteis e cinzas [25].
Durante a volatilização, devido à corrente de voláteis que é libertada, o oxigénio envolvente não
consegue alcançar a superfície do sólido. Esta fase termina quando se dá a extinção da chama de
difusão na envolvente do sólido. As moléculas de oxigénio conseguem então difundir-se para o
interior do sólido e inicia-se a combustão do resíduo carbonoso.
O resíduo carbonoso tem na sua composição essencialmente carbono, cinzas e pequenas
quantidades de hidrogénio, oxigénio, azoto e enxofre [30], e representa entre 10-30% do peso total da
biomassa. No entanto, na sua combustão são emitidos vários poluentes, especialmente CO e CO2
(dado que o C é o principal constituinte), NOx e material inorgânico que não volatilizou [14]. Esta fase
é a mais lenta e o processo de oxidação é heterogéneo, contrariamente à combustão dos voláteis.
Esta heterogeneidade é explicada pelo facto da oxidação do resíduo carbonoso se dar em fissuras e
poros resultantes da libertação dos voláteis [31].
A combustão do resíduo carbonoso pode ser controlada por processos químicos (cinética química) ou
físicos (difusão). Existem três zonas térmicas que determinam qual o processo dominante na
combustão do resíduo carbonoso [30], ver Figura 1.15:
I. Zona de baixas temperaturas e taxa de reacção lenta. A difusão de oxigénio no interior do sólido é
constante, atingindo um limite de concentração. A taxa de reacção é controlada pela cinética química.
13
II. Nesta zona de temperaturas intermédias, devido ao aumento da temperatura, em relação à zona I,
a reacção entre o carbono e o oxigénio é mais rápida. A taxa de reacção é controlada
simultaneamente pela cinética química e difusão das moléculas oxigénio nos poros da estrutura.
III. Nesta zona de elevadas temperaturas e reacções intensas na superfície, o oxigénio é todo
consumido. A taxa de reacção é limitada pela difusão de moléculas de oxigénio.
Figura 1.15- Zonas de térmicas [30]
A título ilustrativo, na Figura 1.16, podem identificar-se as diferentes fases e sua duração, bem como
a redução mássica em função do tempo para uma partícula de madeira (faia), com uma massa inicial
(m0) de 100mg.
Figura 1.16- Redução mássica temporal de uma partícula de madeira com 100mg [32]
Já na Figura 1.17, podem identificar-se as três fases e respectiva gama de temperaturas, bem como
a influência da temperatura na redução mássica, para uma partícula do mesmo tipo de madeira e
massa inicial de 50mg.
14
Figura 1.17- Redução mássica em função da temperatura de uma partícula de madeira com 50mg [32]
Emissão de poluentes
A emissão de poluentes durante o processo de combustão da biomassa pode ser dividida em dois
grupos. No primeiro grupo incluem-se os poluentes resultantes da combustão incompleta, como o
monóxido de carbono, hidrocarbonetos, alcatrões, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e fuligem,
e ainda os poluentes resultantes da oxidação do azoto presente na atmosfera, como os óxidos de
azoto e óxido nitroso. No segundo grupo estão presentes os poluentes cuja formação e emissão
dependem das propriedades do combustível. Na Tabela 1.3 estão sintetizadas as diferentes
emissões de poluentes e a respectiva fonte, o tipo de biomassa que lhes dá origem e o grupo a que
pertencem.
Tabela 1.3- Poluentes emitidos na combustão da biomassa [23]
Fonte
Biomassa
Emissões
Grupo
Todas
CO, HC, alcatrões, PAH, fuligem
1
Todas
NOx, N2O
1
Todas
NOx, N2O
2
HCl, SO2, KCl, K2SO4, NH4Cl
2
Partículas (PM)
2
Pb, Zn, Cd, Cu, Cr, Hg etc.
2
Dioxinas, Furanos
2
Combustão
incompleta
Oxidação do azoto
atmosférico
Oxidação do azoto do
combustível
Madeiras urbanas,
Biomassas contendo
Cl e S
palha, ervas, culturas
energéticas
Cinza
Todas
Biomassas contendo
Madeiras urbanas,
metais pesados
lamas
Biomassas contendo
altos teores de Cl
Madeiras urbanas, RSU
(com plásticos), palha,
cereais
15
A Figura 1.18 representa a emissão dos principais poluentes resultantes da combustão da biomassa
nas diferentes fases.
Figura 1.18- Fases da combustão de sólidos e respectivos produtos [28]
Os poluentes emitidos durante a combustão incompleta são, em grande medida, afectados pelo tipo
de equipamento e condições de operação e a sua formação/emissão deve-se às seguintes
condições:

Inadequada mistura ar-combustível (causando localmente zonas de misturas ricas e pobres);

Fornecimento insuficiente de ar à chama;

Tempo insuficiente de permanência dos reagentes na chama (impedindo que reacção de
combustão se complete);

Contacto da chama com uma superfície fria (extinção das reacções de combustão);

Temperatura de chama demasiado baixa, como, por exemplo, uma combustão com elevado
teor de humidade.
NOx- Influência da temperatura
A emissão deste poluente tem origem em quatro mecanismos de formação, que resultam da oxidação
do azoto atmosférico (mecanismos (1), (2) e (3)) ou do azoto presente no combustível (mecanismo
(4)). Estes quatro mecanismos consistem em: (1) mecanismo térmico - oxidação do azoto atmosférico
a altas temperaturas (T> 1300 °C); (2) mecanismo imediato - reacção dos radicais de hidrocarbonetos
com o azoto atmosférico, em condições de baixo oxigénio e temperaturas inferiores a 1300 °C [33];
(3) mecanismo intermédio de N2O (oxido nitroso) - é relevante em chamas de pré-mistura pobres
caracterizadas por terem baixas temperaturas; (4) mecanismo do combustível - oxidação do azoto
quimicamente ligado ao combustível, ocorre entre os 800 e 1100 °C [9].
16
Devido às baixas temperaturas resultantes da combustão de biomassa, tipicamente entre 800 e 1200
°C, o mecanismo do combustível é o mais relevante, correspondendo a cerca de 70% do total das
emissões de NOx [33].
De acordo com [27], a tecnologia de estagiamento de ar é uma solução para o controlo destes óxidos.
Partículas
De seguida apresenta-se uma breve introdução sobre partículas, com o intuito de expor certos
conceitos necessários para a compreensão dos estudos anteriores.
As partículas podem ser constituídas por fuligem, matéria orgânica e inorgânicos, sendo os primeiros
dois resultantes da combustão incompleta. Quanto mais completa a combustão, mais os inorgânicos
dominam a composição das partículas, e quanto mais incompleta a combustão, mais a sua
composição é dominada pela fuligem e matéria orgânica [34],[35].
Na combustão de sólidos são gerados aerossóis, que são partículas sólidas ou líquidas em
suspensão num seio gasoso com dimensões entre 1 nm e 100 µm [28]. Convém salientar que
existem diferentes definições que caracterizam as dimensões da partícula, sendo a mais utilizada na
bibliografia o diâmetro aerodinâmico (da). Este é definido como o diâmetro de uma partícula esférica
3
com densidade padrão de 1000 Kg/m e que tem a mesma velocidade de sedimentação que a da
partícula em estudo.
Segundo Suriyawong et al. [36] e Fernandes e Costa [37], as partículas são classificadas em
ultrafinas (da <100 nm), submicrométricas (da entre 100 nm e 1 µm), finas (da na gama de 1 µm a 2,5
µm) e grosseiras (valores de da superiores a 2,5 µm). As partículas ultrafinas e submicrométricas são
as mais prejudiciais para a saúde humana, devido à facilidade com que conseguem entrar no sistema
respiratório [28]. Na literatura existem dois modos de formação de partículas, o modo fino (da <1 µm)
e o modo grosseiro (da >1 µm) [20].
Para uma melhor contextualização do reactor experimental projectado, para além do estagiamento de
ar, na secção 1.2.4. apresentam-se os estudos mais importantes em relação à queima da biomassa,
bem como a tendência do estado da arte.
1.2.4. Estudos anteriores
Visto que à escala doméstica não é viável o uso de um sistema de limpeza de gases, mitigar a
emissão de poluentes tornou-se uma questão central. Para além disso, existe a vontade de aumentar
o leque das biomassas a valorizar, de forma a tornar esta fonte renovável ainda mais vasta, versátil e
rentável. Assim, no âmbito da queima/valorização da biomassa à escala doméstica, o estado da arte
segue duas tendências claras: a formação/emissão de poluentes influenciados pelo tipo de
equipamento e condições de operação; e a formação/emissão de poluentes resultantes das
17
propriedades do combustível. Neste sentido, o estado da arte é apresentado a dois níveis, influência
do equipamento e condições de operação, e influência das propriedades do combustível.
Para uma melhor compreensão dos estudos prévios realizados, é relevante mencionar os tipos de
nomenclaturas e unidades presentes nos artigos analisados. Assim, as unidades mais comuns para
3
as concentrações de gases são a % para O2 e CO2 e ppm, mg/Nm ou mg/ MJ para as emissões de
CO, HC, COV, NOx, entre outros.
Na literatura, a emissão de partículas é geralmente caracterizada de três formas: concentração e
distribuição mássica, concentração e distribuição em número, e composição química [38]. As
primeiras duas são propriedades físicas das partículas. A concentração mássica é definida como a
massa de partículas por unidade de volume de gás de exaustão, e a distribuição mássica é a
concentração mássica ordenada pela gama de dimensões das partículas (geralmente da). A
concentração em número é caracterizada pelo número de partículas por unidade de volume de gás
de exaustão, e a distribuição em número é a concentração numérica ordenada pela gama de
dimensões das partículas (geralmente da). As unidades da concentração mássica e em número são
3
-3
mg/Nm e Ncm , respectivamente.
Antes de particularizar os dois níveis do estado da arte, é importante salientar as condições que
influenciam a amostragem. Boman et al. [39], investigaram a influência das condições de diluição na
amostragem de espécies gasosas e partículas. As condições estudadas foram a taxa de diluição
(rácio entre o CO2 presente nos gases de exaustão e o CO2 medido à saída do túnel de diluição), a
temperatura de amostragem e o tempo de residência no túnel de diluição (dispositivo onde é
realizada a diluição das espécies químicas, após a exaustão da unidade de combustão). Verificaram
que:

A variação das condições de diluição não teve influência na concentração e diâmetros médios
do PMtot bem como nas emissões de CO e NO;

A variação das variáveis de estudo teve influência em 12 dos 37 PAH estudados, no entanto
os PAH dominantes não são afectados pela temperatura de amostragem;

A variação do tempo de residência no túnel de diluição não teve influência nas emissões
estudadas.
A amostragem de partículas é acompanhada por um aquecimento controlado de modo a evitar a
condensação e crescimento da partícula depois de recolhida. Deve ser isocinética (a velocidade de
entrada no bocal da sonda deverá ser igual à dos gases de exaustão) para que não haja a
perturbação das linhas de corrente, uma vez que se pretende evitar a colisão entre partículas. A
amostragem é geralmente realizada no tubo de exaustão. Todos os estudos indicados nesta secção
obedecem a esta especificidade, excepto o estudo realizado por Wiinikka e Gebart [40].
18
Influência das propriedades do combustível
Composição química e influência do teor de cinzas
Boman et al. [41] e Johansson et al. [38], verificaram que a emissão de partículas é dominada pelo
modo fino (da < 1 µm). Juntamente com estes dois autores, Sippula et al. [35] e Wiinikka e Gebart
[34], avaliaram a composição química das partículas finas resultantes da combustão de pellets de
diferentes tipos de madeira, concluindo que estas são compostas predominantemente por K, Cl e S, e
pequenas quantidades de Na e Zn. Boman et al. [41], acrescentaram que o domínio de metais
alcalinos indica que a conversão gás-partícula, seguida de processos de coagulação, é o principal
mecanismo de formação no modo fino.
Fernandes e Costa [37] caracterizaram a composição química dos aglomerados de partículas finas e
grosseiras, resultantes da combustão de pellets de pinho, verificando que as primeiras são formadas,
maioritariamente por fuligem, sendo constituídas principalmente por C, O2, Ca, Mg K e P. As
partículas grosseiras têm na sua composição C e O2 e pequenas quantidades de Ca e Mg.
Sippula et al. [35], concluíram que o teor de cinzas afecta as condições de combustão e a emissão de
gases e partículas, à excepção do CO2. Acrescentaram ainda, que quanto maior o seu teor, maior a
dureza das pellets, sugerindo que esta afecta a taxa de combustão, devido à menor fragmentação
das pellets durante a sua queima. Já Wiinikka e Gebart [34] concluíram que quanto maior o teor de
cinzas no combustível, maior o será número de partículas nos gases de exaustão.
Teor de cloro e enxofre
Segundo Wiliams et al. [14], o Cl facilita a mobilidade de alguns compostos inorgânicos, em particular
os metais alcalinos, tendo maior expressão o K, por se tratar do metal alcalino mais abundante na
biomassa. Sippula et al. [42], investigaram a influência do Cl e S na formação de partículas num
reactor laboratorial. Avaliaram a combustão de pó de madeira (com dimensões inferiores a 63 µm)
num reactor experimental com dois tipos de aditivos, HCl e SO2, variarando a sua concentração em
intervalos de 0-650 ppm e 0-200 ppm, respectivamente. Concluíram que: (1) a adição de HCl
aumenta o número, a dimensão e a massa das partículas finas, por unidade de volume de gás de
exaustão; (2) a adição de SO2 tem um efeito pouco significativo quando não é acompanhada pela
adição de HCl; (3) quando ambos os aditivos são adicionados a formação de partículas parece
relacionada com o rácio de S/Cl.
Teor de azoto
Winter et al. [43], Wiinikka et al. [34] e Rabaçal et al. [44], investigaram as emissões de NOx durante a
combustão de diferentes tipos de pellets de biomassa. Verificaram que o mecanismo do combustível
é a principal fonte da emissão destes óxidos. Winter et al. [43], acrescentaram que a maior parte do
azoto do combustível é libertada durante a volatilização, na forma de azoto volátil (66-75%), e que a
combustão do resíduo carbonoso tem uma importância marginal na formação de NO.
19
Novas fontes de biomassa
M. Kratzeisen e Müller [45] avaliaram a possibilidade de utilização da casca de sementes de jatropha
como combustível à escala doméstica, procedendo à caracterização física e química das sementes, e
à análise das suas cinzas. A investigação foi efectuada numa unidade experimental em grelha fixa,
com alimentação de combustível contínua, por intermédio de um sem fim, com cargas térmicas
mínima e máxima de 11 e 37 kW, respectivamente. Concluíram que: (1) a capacidade térmica
aumenta de forma linear com o aumento do caudal mássico de combustível, para as condições
ensaiadas; (2) comparativamente ao pinho, as sementes de jatropha têm alto teor de N, Cl e S,
também menor matéria volátil, maior carbono fixo e teor de cinzas; (3) a combustão das sementes de
jatropha é bem conseguida sem a necessidade de densificação, pelo que o seu custo é reduzido; (4)
as sementes de jatropha têm um elevado conteúdo de metais pesados, sendo os mais relevantes o
Cr e o Ni.
Rabaçal et al. [44], estudaram as emissões resultantes da combustão de três tipos de pellets, pinho,
resíduos lenhosos e caroço de pêssego, numa caldeira doméstica com alimentação (contínua) pelo
topo, cuja carga térmica mínima e máxima foi de 11 e 21 kW, respectivamente. Verificaram que o tipo
de pellet afecta significativamente a eficiência da caldeira, em particular as emissões, e os
desperdícios lenhosos e o caroço de pêssego têm um potencial de utilização no sector de
aquecimento doméstico.
Finalmente, Elmay et al. [46], investigaram as emissões de gases provenientes da combustão de
resíduos de tamareira, num reactor experimental de corpo cilíndrico, com alimentação por lotes. Os
resíduos de tamareira utilizados foram a folhagem, caule, tronco, caroço de tâmara e a haste que
suporta os frutos. A sua combustão foi comparada à da serradura de pinho, por se tratar de uma
biomassa tradicionalmente utilizada em aplicações domésticas. Concluíram que: (1) dentro dos
resíduos avaliados, os caroços de tâmara têm as melhores propriedades enquanto combustível. Têm
maior densidade, poder calorífico e matéria volátil, e menor teor de cinzas (cerca de 1,2% em b.s.),
sendo a sua densidade energética quatro vezes superior aos restantes resíduos; (2) o resíduo com
maior poder calorifico é a folhagem, mas devido ao seu elevado teor de cinzas (15,2%, em b.s.) e ao
seu potencial corrosivo, este resíduo não figura como uma opção viável; (3) os restantes resíduos
possuem elevados teores de Cl, o que apresenta sérios problemas de corrosão; (4) uma mistura
adequada de caroço de tâmara e tronco de tamareira pode ser uma alternativa interessante em
aplicações domésticas e industriais; (5) a emissão de COVs, CO e NOx, na combustão de caroço de
tâmara, é demasiado elevada, tornando necessária a implementação de ar secundário no projecto de
uma fornalha para a valorização deste resíduo.
A utilização de ar secundário é uma condição que permite mitigar a emissão de poluentes resultantes
da combustão incompleta. Na subsecção seguinte, são apresentados estudos que caracterizam esta
e outras condições operacionais.
20
Influência do equipamento e condições de operação
Excesso de ar
Johansson et al. [47], investigaram a combustão de toros e pellets de madeira em diferentes caldeiras
domésticas (duas antigas, duas modernas a lenha e três modernas a pellets), verificando que as
caldeiras antigas a lenha emitem mais partículas e poluentes não oxidados, e têm menor eficiência.
Tal como no referido estudo, Wiinikka et al. [40] e Nussbaumer [32] relacionaram a influência do
excesso de ar com as emissões de CO, concluindo que um aumento das suas emissões é verificado
para o aumento do excesso de ar. Johansson et al. [47], acrescentam que esta constatação,
provavelmente, resulta do efeito de arrefecimento de câmara de combustão, causado pelo maior
fornecimento de ar.
Fernandes e Costa [37] investigaram as emissões de CO e PM na caldeira doméstica a pellets
(descrita anteriormente) em condições estacionárias com diferentes cargas térmicas, sendo a mínima
de 11 kW e máxima de 21 kW. Verificaram que as emissões de CO e PM apresentam uma evolução
semelhante para diferentes cargas térmicas, sugerindo que a emissão de CO é um bom indicador da
eficiência da caldeira, em termos da emissão de partículas.
Estagiamento de ar
Lamberg et al. [48], estudaram os efeitos do estagiamento de ar e da carga térmica nas emissões de
gases e partículas finas, numa caldeira doméstica alimentada a pellets de madeira, cuja carga
térmica máxima e mínima foi de 7 e 12,5 kW, respectivamente. Para os autores a relação ar primárioar secundário está correlacionada com a emissão de fuligem, metais alcalinos, partículas finas e CO.
Esta relação parece ser o factor operacional mais importante, no que diz respeito às emissões de
poluentes relacionadas com as condições de operação. Na instalação ensaiada e para o mesmo
caudal de ar, um aumento do ar secundário (e consequentemente uma redução do ar primário),
provoca uma diminuição de CO e PM1 (evolução consistente com a verificada por Fernandes e Costa
[37]) e um ligeiro aumento das emissões de NOx. Wiinikka e Gebart [49] acrescentaram que o
aumento da zona de mistura leva a uma menor formação de partículas.
Wiinikka e Gebart [40] [49] [50] estudaram a influência de diferentes parâmetros de operação na
emissão de gases e partículas, num reactor experimental em grelha fixa de corpo cilíndrico, com
alimentação de combustível pelo topo e admissão de ar primário e secundário, podendo no último
caso, ser ajustado o ângulo de injecção de entrada (ajuste da quantidade de swirl). Mantendo as
quantidades de ar primário e secundário, e variando apenas a quantidade de swirl, constataram uma
diminuição de CO de 4,2 para 0,6 mg/MJ, enquanto o NOx se manteve aproximadamente constante
[40]. Verificaram, que a distribuição de ar afecta a emissão de partículas grosseiras e finas [50] e,
para um elevado valor de ar primário, o aumento de partículas de grandes dimensões (da entre 1-4
mm), que são arrastadas do leito de combustível [40].
21
Wiinikka e Gebart [50] verificaram ainda, que a emissão de partículas finas diminui quando a
admissão de ar primário se reduz. Segundo os autores, provavelmente a baixa concentração de
oxigénio que passa através do leito, faz com que a combustão do resíduo carbonoso se dê a uma
temperatura inferior e, consequentemente, volatilizam menos inorgânicos. Noutro estudo, Wiinikka
Gebart [40] acrescentaram que a altura da zona primária, parece também ter feito na emissão de
partículas.
Finalmente, Wiinikka e Gebart [49] concluíram que as emissões de partículas, em sistemas com
grelha fixa, podem ser reduzidas, minimizando as temperaturas de combustão na zona primária e
maximizando-as na zona secundária.
Carga térmica
Lamberg et al. [48], investigaram a relação entre a carga térmica e as emissões de gases e
partículas. Verificaram que a composição das PM1 é constituída principalmente por K e SO4, e para
as diferentes condições de funcionamento, o aumento das suas emissões é causado pelo aumento
das emissões de fuligem (tal como verificado por Johansson et al. [47]). À carga total, com um
reduzido caudal de ar primário, as PM1 são principalmente compostas por material inorgânico,
verificando-se uma baixa emissão de fuligem e CO. A baixas cargas, verificaram um ligeiro aumento
das PM1 e, principalmente, um aumento significativo de CO. De encontro com esta constatação,
Sippula et al.[35] e Wiinikka et al. [34], associaram a composição das partículas às características da
combustão. Quanto mais completa a combustão, mais os inorgânicos dominam a sua composição. E
quanto mais incompleta a combustão, mais a composição das partículas é dominada pela fuligem e
matéria orgânica.
Posteriormente à pesquisa elaborada nesta secção e escolhida a tecnologia de estagiamento de ar,
encontrou-se uma lacuna na bibliografia, que diz respeito ao estudo dos efeitos da combustão
estagiada com swirl nas emissões de poluentes gasosos. Assim, para além do projecto e construção
do reactor experimental, investigou-se a influência do estagiamento de ar nas emissões de poluentes
gasosos.
22
1.3. Contribuição da presente dissertação
Dado que à escala doméstica não é viável um sistema de limpeza de gases, é necessário um
controlo mais eficiente da combustão, de forma a mitigar as emissões de poluentes. Deste modo,
projectou-se de raiz e comissionou-se um reactor laboratorial de queima de biomassa que permite
estudar as emissões de gases e partículas, para diferentes tipos de biomassa e condições de
operação.
Desenvolveu-se um novo sistema de alimentação de pellets, que conserva as suas propriedades e
permite a sua utilização com diferentes durezas. Estas duas características de funcionamento são
vantajosas quando comparadas ao sistema de alimentação em parafuso, que é o sistema mais
comum nas instalações comerciais.
Estudaram-se os efeitos da variação da altura do reactor experimental nos perfis radiais das
emissões de O2, CO2, CO, NOx e HC no reactor, de forma a garantir que a amostragem de espécies
químicas possa ser realizada no centro do reactor e, a recolha de partículas seja efectuada em
condições idênticas à da exaustão.
Investigou-se a influência do estagiamento de ar com swirl nas emissões acima referidas e nas
temperaturas do queimador e do interior do reactor, preenchendo e completando assim as lacunas
bibliográficas encontradas.
Finalmente, recomendam-se vários estudos que podem ser efectuados nesta instalação laboratorial.
1.4. Organização da dissertação
A presente dissertação encontra-se estruturada em quatro capítulos, dos quais este constitui a
introdução. Efectua-se o enquadramento do tema, descrevem-se as principais propriedades da
biomassa e os diferentes poluentes assim como os respectivos mecanismos de formação.
Apresentam-se ainda os estudos mais recentes para contextualizar o reactor experimental construído.
O capítulo termina com as contribuições e organização da dissertação.
No capítulo 2 são caracterizados os diferentes constituintes do reactor, assim como os critérios e
especificações tidos em consideração durante o seu projecto. O capítulo contempla ainda as
condições de operação e as limitações da instalação experimental.
No capítulo 3 apresentam-se os resultados e faz-se a discussão dos ensaios de comissionamento e
de estagiamento de ar.
No capítulo 4 sintetizam-se as principais conclusões e recomendam-se futuros trabalhos possíveis a
realizar.
23
2. Projecto do reactor experimental
2.1.
Introdução
A eficiência do funcionamento de uma unidade de combustão depende em larga escala, da forma
como o fornecimento de ar e combustível é efectuado, sendo o objectivo garantir uma boa mistura e
distribuição entre ambos. Essa foi uma das preocupações no projecto do reactor experimental
construído no âmbito deste trabalho.
Neste capítulo são caracterizados os diferentes constituintes desse reactor, assim como os critérios e
especificações tidos em consideração durante o seu projecto.
O reactor é de corpo vertical, tem forma cilíndrica e utiliza a tecnologia de combustão em grelha fixa.
Nos primeiros 500 mm acima da grelha, a parede do reactor está envolvida por um forno eléctrico
refractário, que serve também de fonte de ignição. A restante parede está isolada por uma manta
térmica. A grelha fixa é constituída por um queimador com um cinzeiro na sua periferia. O ar é
admitido em duas zonas (primária e secundária). Utilizam-se pellets como combustível, sendo
alimentados continuamente por um sistema de alimentação em mola, que foi projectado e
desenvolvido especificamente para este trabalho. No topo do reactor existe uma janela para observar
a chama e o interior do reactor.
Neste capítulo é também descrita a instrumentação de medida associada ao reactor que fornece os
valores das variáveis que se pretendem medir. É feita a descrição do seu funcionamento, que
sintetiza os procedimentos e a forma do arranque da instalação, bem como as condições normais de
operação em regime estacionário. O capítulo contempla ainda os requisitos de segurança e
manutenção do reactor, uma descrição das técnicas de medida e incertezas experimentais,
terminando com uma síntese comparativa do valor acrescentado pelo reactor concebido.
2.2. Corpo do reactor
O reactor experimental tem uma estrutura modular, podendo a sua configuração (a altura) ser
ajustada conforme a finalidade pretendida. Este tipo de construção permite um controlo adaptativo
que não se efectuaria, caso o reactor fosse constituído exclusivamente por um só corpo. A sua
manutenção é mais simples, devido à possibilidade da substituição apenas dos módulos desejados.
Por estas razões, a produção/utilização de uma estrutura modular é mais prática e económica.
O material escolhido para a construção do reactor foi o aço inox, por se tratar de um metal resistente
à corrosão e à fractura a elevadas temperaturas [51]. Este metal é utilizado para aplicações em
caldeiras, fornos e peças para meio ambiente corrosivo e quente [52]. Dentro dos aços inoxidáveis
distinguem-se os martensíticos, ferríticos, austeno-ferríticos e austeníticos. O quadro da Figura 2.1
apresenta as diferentes propriedades destes aços inox [51].
24
Figura 2.1- Propriedades dos aços inoxidáveis [51]
O aço escolhido deve ser dúctil, resistente a elevadas temperaturas e à corrosão. Com base no
quadro referido, poder-se-á concluir que os austeníticos são os que melhor satisfazem estes
requisitos. Neste sentido, o aço austenítico escolhido foi o AISI 304 L, representando o L um baixo
conteúdo de carbono (Low Carbon), o que garante uma maior resistência a elevadas temperaturas
devido à menor tendência a originar precipitados de carbono [53]. Finalmente o AISI 304L é um aço
que, economicamente, é atractivo.
O reactor pode ter configurações distintas que comportam a junção de dois ou três módulos
cilíndricos, com diâmetros exteriores e espessuras de 168,3 e 3 mm, respectivamente. Os módulos
são numerados de 1 a 3, sendo a altura do primeiro 760 mm e dos restantes 400 mm (ver Figura 2.2).
Figura 2.2- Configurações do reactor com dois e três módulos
Sendo o cilindro uma geometria axissimétrica, e desde que essa simetria axial não seja quebrada
intencionalmente, é possível tirar partido dessa característica, na medida em que os fenómenos
25
decorrentes no seu interior têm um caracter bidimensional (com variação radial e axial). Esta
geometria é a que melhor permite estudar os fenómenos físicos separadamente dos efeitos
geométricos.
O módulo1 está envolvido pelo forno eléctrico refractário em cerca de dois terços da sua altura. É no
interior deste módulo que se insere a grelha e se descarrega o combustível.
Dada a importância do estagiamento de ar e a necessidade de uma boa mistura de gases, o módulo1
possui quatro entradas de ar secundário, com a mesma cota e igualmente espaçadas na direcção
tangencial, com um ângulo de 90° (ver Figura 2.3 e Anexo A). O ar secundário é admitido
tangencialmente no reactor, a cerca de 150 mm acima da grelha. Esta altura de injecção do ar
secundário foi escolhida de forma a tentar minimizar a altura da zona primária de combustão, uma
vez que esta parece ter influência na emissão de partículas (Wiinikka e Gebart [40]).
O módulo2 é utilizado para aumentar o volume do reactor, o tempo de residência dos gases e
partículas e as perdas térmicas.
Finalmente, o módulo3 possui uma bifurcação onde é realizada a extracção. No lado oposto existem
duas portas (1 e 2), espaçadas de 100 mm, com uma tomada de pressão a meio (ver Figura 2.2). No
topo do módulo existe ainda uma janela de observação, em quartzo, para auxiliar o controlo da
queima por visualização de chama e das actividades experimentais (ver Figura 2.2 alínea d)).
Figura 2.3- Compilação de imagens do corpo do reactor: a) modulo1, b) configuração de dois módulos sem
isolamento, c) imagem da instalação experimental, d) janela de observação
26
2.3.
Grelha fixa
A grelha fixa dispõe de um cinzeiro com um queimador ao centro. A grelha tem 140 mm de diâmetro
e está isolada por uma manta térmica de modo a prevenir entradas e fugas pela base do reactor.
A maioria dos modelos de caldeiras domésticas a pellets utiliza queimadores cilíndricos ou cónicos,
com diâmetros a rondar os 90 mm (ver em Anexo B). A profundidade do queimador é projectada em
função da carga térmica pretendida, isto é, da capacidade máxima de pellets que se pretendam
descarregar.
O queimador projectado e construído nesta dissertação é cilíndrico, com diâmetro de 84,9 mm, sendo
a sua base perfurada com 45 furos circulares de 3 mm de diâmetro, representando uma área de
perfuração de 5,6% (ver Figura 2.4 e Figura 2.5). Através dos furos é insuflado o ar primário. O
queimador tem paredes com altura de 50 mm de modo a evitar que as pellets caiam para o cinzeiro
durante a alimentação (ver Figura 2.5). As cinzas que ficam sobre o queimador (cinzas de fundo) são
sopradas pelo ar, ficando depositadas no cinzeiro. Os furos têm 3 mm de modo a que a velocidade de
insuflação do ar primário, mesmo para baixos caudais de ar, seja suficiente para garantir a
penetração no leito, conseguir depositar as cinzas no cinzeiro e evitar obstruções dos furos.
Figura 2.4- Grelha fixa
Figura 2.5- Ilustração em 3D da grelha fixa
Na limpeza da grelha (procedimento mencionado na secção 2.11) constatou-se que a quantidade de
cinzas no cinzeiro era elevada. Ora, dado o baixo teor de cinzas das pellets utilizadas (ver Tabela 2.1)
isso significa que deposição das cinzas no cinzeiro é eficaz, pelo que não foi necessária efectuar uma
sopragem periódica para a limpeza do queimador, procedimento frequente em caldeiras domésticas.
A ausência da sopragem evidencia que o estudo realizado durante o projecto se mostrou acertado.
27
2.4.
Sistema de alimentação de ar
O ar comburente utilizado nesta instalação foi fornecido pela linha de ar existente no Laboratório de
Combustão do IDMEC/IST. O controlo dos seus caudais volumétricos efectuou-se por intermédio de
dois rotâmetros, calibrados para um fluxo de ar à pressão atmosférica, ambos dotados de
manómetros à saída.
A temperatura do ar, no sistema de alimentação, foi praticamente constante, sendo o seu valor 20 °C.
Dado que para o conjunto dos ensaios realizados a pressão verificada à saída dos manómetros foi de
0 bar, tal significa que não existe um aumento da mesma no interior dos rotâmetros, pelo que o
caudal volumétrico observado nestes é o correcto. Portanto, não foi necessário corrigir o seu valor.
2.4.1. Ar primário
O ar primário é insuflado sob a grelha e o seu controlo é efectuado através de um rotâmetro com uma
capacidade máxima de 300 l/min. A escala do rotâmetro é percentual, marcada de 1 em 1%, com
uma precisão de ± 2%.
2.4.2. Ar secundário
A entrada do ar secundário é tangencial de forma a assegurar a sua rotação (swirl) optimizada. O
swirl constitui uma rotação do escoamento de eixo coincidente com o do reactor, que promove a
eficiência da mistura, aumenta o tempo de residência dos produtos de combustão e distribui de forma
mais uniforme a temperatura na zona de combustão [5].
A entrada de ar tangencial reduz ainda a formação de depósitos e consequentemente a corrosão nas
paredes do reactor, devido às condições localmente oxidativas e à cortina protectora de ar formada
junto às paredes [54].
A admissão do ar secundário com swirl, face à adição puramente radial, é benéfica do ponto de vista
das emissões de CO [40], ou seja, da combustão completa. Quanto mais eficiente for a mistura na
zona secundária, menor será o excesso de ar necessário para que a combustão seja completa e, por
conseguinte, maior será a eficiência do reactor [19]. Para efeitos de poupança de combustível, a
combustão deverá ser o mais completa possível, caso contrário, estar-se-á a desperdiçar combustível
(não queimado) pela exaustão.
A quantidade de ar secundário é controlada por um rotâmetro com capacidade máxima de 900 l/min.
O rotâmetro tem uma escala em l/min, marcada de 10 em 10 l/min contrariamente ao do ar primário
(que é percentual). A sua precisão é de ±4 l/min.
Na Figura 2.6 é apresentado um esquema do sistema de alimentação de ar.
28
Figura 2.6- Esquema do sistema de alimentação de ar: a) rotâmetro ar secundário, b) rotâmetro ar primário,
c) entradas de ar, d) ilustração 3D das entradas de ar, e) zoom das entradas de ar
2.5. Sistema de alimentação de sólidos
Existem três tipos de sistemas de alimentação de sólidos de acordo com o local do reactor onde essa
alimentação se efectua: pelo topo, pela base e horizontalmente. A alimentação pelo topo é a que
mais uniformemente distribui o combustível pela grelha, consegue usar resíduos com maior teor de
humidade [18] e é a mais segura, uma vez que o depósito está separado da câmara de combustão.
Somando a tendência do mercado de aquecimento doméstico e a simplicidade de construção, optouse pela alimentação pelo topo.
A alimentação de pellets é efectuada por intermédio de um sistema novo desenvolvido no âmbito
desta dissertação. A Figura 2.7 esquematiza o funcionamento desse sistema de alimentação.
Figura 2.7- Esquema do funcionamento do sistema de alimentação em mola
29
O sistema de alimentação funciona por efeitos gravíticos e a alimentação é contínua (ver Figura 2.7).
É constituído por um depósito com base cónica (com uma capacidade de 1,2 kg), uma mola e um
motor de velocidade variável. O cone é truncado por um tubo com diâmetro interior de 33 mm, por
onde caem as pellets.
Concentricamente com o depósito, está instalada a mola que se encontra ligada ao motor, por
intermédio de um veio. A presença da mola impede o deslizamento das pellets nas paredes
inclinadas do depósito. Ao accionar-se o motor, vai efectuar-se um movimento de revolução que leva
a que as espiras da mola desimpeçam, de forma controlada, o deslizamento das pellets. Estas são
encaminhadas para um funil metálico que as conduz para um tubo metálico (tubo de alimentação),
que finalmente as descarrega sobre o queimador.
O movimento de revolução é efectuado no sentido horário, para que a mola não exerça forças
ascendentes sobre o motor e instabilize o sistema.
O espaçamento entre as espiras da mola é de 10 mm, dimensão ligeiramente superior ao diâmetro
das pellets (6 mm), garantindo assim a entrada de uma pellet por espira, evitando que estas fiquem
bloqueadas.
O motor tinha originalmente uma função diferente (accionava um limpa-pára-brisas), tendo sido
adaptado para este efeito. A velocidade é controlada por intermédio de um reóstato, que regula a
potência eléctrica fornecida ao motor (ver alínea d) da Figura 2.8)
O sistema de alimentação em mola compete com o sistema em parafuso. Neste último, as pellets vão
sendo arrastadas umas contra as outras e contra as paredes do alimentador, o que as degrada e
fractura. A grande vantagem da alimentação em mola é, precisamente, a conservação das
propriedades do combustível durante o seu percurso. Outra vantagem é a possibilidade se utilizar
pellets com diferentes durezas, o que no sistema de alimentação por parafuso provoca problemas de
bloqueamento.
O tubo de alimentação é fabricado em aço inox do tipo AISI 316L e tem um diâmetro interior de 24
mm. Este tipo de aço inoxidável tem uma boa resistência a elevadas temperaturas e à corrosão,
superiores às do aço AISI 304L. A escolha deste aço deve-se ao contacto permanente do tubo com a
chama. Idealmente, o comprimento das pellets deverá ser inferior ao diâmetro interior do tubo,
impedindo deste modo um eventual atravessamento no seu interior, e consequente bloqueio.
O ângulo de inclinação do tubo de alimentação com a horizontal e o posicionamento da saída do
mesmo em relação ao queimador são dois parâmetros de extrema importância no sistema de
alimentação. Segundo a referência [10], acima dos 30° as pellets começam a rolar/deslizar. No
entanto, foi necessário um ângulo ligeiramente superior a 40° para que se verificasse o
rolamento/deslizamento das mesmas, evitando a sua acumulação e posterior entupimento do tubo.
30
A saída do tubo está alinhada com o início do queimador, garantindo-se assim a ausência de pellets
no cinzeiro e a não afectação do escoamento na zona primária de combustão. Idealmente o ângulo e
a posição da saída do tubo deverão ser tais que as pellets sejam distribuídas uniformemente na
grelha. Em geral e após uma exaustiva regulação experimental destes dois parâmetros, foi
conseguida uma boa distribuição, sem entupimentos.
O topo do funil metálico é parcialmente isolado por uma manta térmica, evitando-se a entrada não
controlada de ar. No entanto, o reactor funciona a uma pressão ligeiramente acima da atmosférica,
pelo que a entrada de ar pelo funil é desprezável.
A Figura 2.8 mostra um conjunto ilustrativo do sistema de alimentação de combustível em mola.
Figura 2.8- Compilação de imagens do sistema de alimentação de combustível: a) depósito e motor, b) funil
metálico e tubo de alimentação, c) base do depósito e mola, d) reóstato, f) sistema de alimentação
2.6. Sistema de exaustão
A exaustão correcta dos gases resultantes da combustão é de extrema importância, para garantir
uma atmosfera segura no laboratório.
Os efluentes gasosos deixam o reactor através de um tubo lateral presente no módulo3 (tubo de
exaustão) com diâmetro e comprimento de 88,9 e 166 mm, respectivamente. O tubo de exaustão
contém uma válvula do tipo borboleta (válvula de exaustão), que permite manter e regular a pressão
no interior do reactor durante os ensaios (ver Figura 2.9).
31
Figura 2.9- Válvula de exaustão: a) vista lateral, b) vista interior
2.7. Sistema de ignição
A ignição da biomassa é realizada com o auxílio da energia de activação providenciada por um forno
eléctrico com duas meias luas, cada uma com seis resistências. O forno tem uma altura de 500 mm e
o seu isolamento é constituído por um cimento refractário com uma espessura de 330 mm na base e
no topo. Junto às resistências o isolamento é feito por lã de vidro (ver Figura 2.10).
O controlo da temperatura do forno é efectuado num dispositivo de controlo (P.I.D.) onde se lê a
temperatura no interior do mesmo e se indica o setpoint de temperatura a atingir. Existem duas
botoneiras de energia e de potência, de cor verde e vermelha, respectivamente.
Figura 2.10- Compilação de imagens do sistema de ignição: a) forno eléctrico, b) resistência eléctricas, c)
termopar do forno, d) dispositivo de controlo P.I.D
32
2.8. Instrumentação
O reactor experimental tem associados a si vários instrumentos de medida, que podem ser divididos
em dois tipos: fixos e móveis.
Os instrumentos fixos incluem dois termopares do tipo K com cobertura protectora de aço inoxidável e
uma tomada de pressão estática. O primeiro termopar está incorporado no centro do queimador, a
uma altura aproximadamente de 20 mm e mede a temperatura no leito. O segundo está instalado a
400 mm da base do forno e mede a temperatura na parede exterior do reactor (ver Figura 2.10). A
tomada de pressão é efectuada a 150 mm acima da base do módulo3 (ver Figura 2.11).
Nos instrumentos móveis estão presentes um termopar, também com protecção e do tipo K, e uma
sonda de medição de concentração de espécies químicas, com arrefecimento indirecto a água. Tanto
o termopar como a sonda podem ser inseridos nas duas portas do módulo3 (ver Figura 2.11).
Para auxiliar no registo dos dados, utilizou-se um espelho para se visualizar a chama do local onde
se procede à aquisição dos dados, isto é, em frente ao computador.
Figura 2.11- Esquema resumo do reactor experimental
33
2.9. Operação do reactor
Foram utilizadas pellets com 6 mm de diâmetro com comprimento máximo igual a 20 mm. No entanto,
não foi assegurado a 100% este comprimento, dada a complexidade de averiguar esta dimensão em
todas as pellets. A Tabela 2.1 apresenta as propriedades das pellets.
Tabela 2.1- Propriedades das pellets de pinho
Parâmetro
Valor
Análise Elementar (% wt, daf)
Carbono
46,0
Hidrogénio
6,2
Azoto
0,5
Enxofre
<0,01
Oxigénio
47,3
Análise Imediata (% wt, ar)
Voláteis
80,5
Carbono fixo
10,9
Humidade
7,3
Cinzas
1,3
Análise às cinzas (wt%, db)
SiO2
20,9
Al2O3
6,2
Fe2O3
21,6
CaO
26,2
SO3
0,3
MgO
4,3
P2O5
4,2
K2O
11,5
Na2O
2,5
Cl
0,04
Outros óxidos
2,3
PCl (MJ/Kg)
17,28
Dimensões médias dos pellets (mm)
Diâmetro
6
Comprimento
20
34
2.9.1. Arranque
O arranque do reactor efectua-se com a ignição e trata-se, obviamente, de uma fase transiente. A
ignição é realizada com a válvula de exaustão praticamente fechada, para que o calor e,
posteriormente, os voláteis não escapem.
O forno eléctrico é aquecido até à temperatura do setpoint: 800 °C. Quando a temperatura na grelha
ronda os 400 °C, é introduzida uma pequena quantidade de pellets no queimador. Os pellets vão
libertando matéria volátil que, ao entrar em contacto com o ar quente circundante se auto-inflama,
iniciando o processo de combustão. Nesta fase, desliga-se a botoneira de potência e começa a
alimentar-se o combustível de forma contínua, insuflando-se simultaneamente o ar primário.
Decorridos poucos minutos, as temperaturas na grelha e no centro do módulo3 (com o termopar
móvel colocado na primeira porta) começam a estabilizar. No entanto, os seus valores sofrem
constantemente oscilações (da ordem das dezenas de °C) durante os ensaios, dada a complexidade
da queima de combustíveis sólidos. Já a temperatura na parede do forno mantém-se praticamente
constante, dada a grande inércia térmica do forno.
Estabilizadas as temperaturas, termina a fase transiente e considera-se que, em termos médios, o
reactor atingiu o regime estacionário.
2.9.2. Condições de operação
A definição das condições de operação reporta-se ao regime estacionário.
Estabeleceu-se uma pressão relativa de operação (na tomada de pressão do módulo3) entre 1 e 2 Pa
acima da pressão atmosférica, de modo a não existirem entradas de ar indesejadas. Uma vez que a
pressão na base do reactor é superior à registada na tomada de pressão, a entrada de ar pelo tubo
de alimentação é desprezável.
Testaram-se duas velocidades de rotação do motor (média e alta), correspondendo à posição 0 e 1
do reóstato (Figura 2.8). Substituiu-se a grelha por um recipiente, onde foram descarregadas as
pellets, sendo pesadas numa balança de alta precisão (Denver Instrument Company, modelo TC
403), de capacidade máxima de 410 g, com um erro associado de ±0,001 g. Dado que o período de
uma amostragem (30 segundos) e registo dos valores é sensivelmente de um minuto, os testes
tiveram esta duração temporal e foram realizados quinze vezes para cada velocidade. Na Figura 2.12
podem observar-se os valores registados.
35
Caudais mássicos (g/min)
Velocidade 0
118
126
114 115
58
54
53
39
1
2
4
128
112
56
5
6
7
8
116
53
48
42
39
3
130 125
Velocidade 1
9
124
50
10
11
132
112 109
43
12
50
13
108
101
57
38
14
47
15
Número da repetição
Figura 2.12- Valores dos caudais mássicos para as velocidades de rotação 0 e 1
Para as velocidades 0 e 1 verificou-se, respectivamente, um caudal médio e um desvio padrão de
48,5 e 6,6 g/min, e 118,0 e 8,8 g/min (Tabela 2.2). O facto do desvio padrão ser baixo, indica os
valores do caudal mássico se afastam pouco da média. Para as pellets de pinho referidas, as cargas
térmicas para estes caudais são 14 e 34 kW, respectivamente.
Tabela 2.2- Média e desvio padrão dos caudais mássicos para as velocidades de rotação 0 e 1
Caudal mássico (g/min)
Média
48,5
118,0
Desvio padrão
6,6
8,8
Nos ensaios de comissionamento (secção 3.2) foi utilizada apenas a velocidade de rotação do motor
0, por se tratar da velocidade que fornece um caudal mássico mais uniforme (menor desvio padrão) e
comum à escala doméstica (a carga térmica de 14 kW é mais frequente em caldeiras comerciais). Já
no estudo da influência do estagiamento de ar foram utilizadas as duas velocidades acima referidas.
Os caudais de ar totais (primário e secundário) utilizados para as duas cargas térmicas acima
referidas foram 200 e 300 l/min, respectivamente.
A gama de caudais de ar primário utilizada foi 180 e 70 l/min (60% e 23% na escala do rotâmetro),
correspondendo a velocidades à saída dos furos do queimador de 9,4 e 3,7 m/s, respectivamente.
Verificou-se que para caudais de ar primários acima dos 60% da capacidade do rotâmetro, ocorria o
arrastamento de partículas incandescentes (resíduo carbonoso) do leito, tal como se pode observar
na Figura 2.13. Por esta razão, este foi o caudal máximo definido para os ensaios.
36
Figura 2.13- Ar primário com rotâmetro a 60% da sua capacidade: arrastamento de partículas, assinaladas a
vermelho
Em termos de caudal mínimo de ar primário, não foi restringido nenhum valor devido à combustão
poder ocorrer somente com ar secundário, ainda que com alguma dificuldade.
O caudal mínimo de ar secundário utilizado é de 50 l/min, por limitação do rotâmetro do ar secundário
em debitar menos caudal.
O depósito de pellets tem de estar, no mínimo, a dois terços da sua capacidade para que não haja
alteração da pressão exercida pelas pellets cimeiras junto à mola.
2.10. Segurança e manutenção do reactor
Existem diversos factores a ter em consideração durante o funcionamento do reactor, para que este
decorra em segurança. Uma das condições mais importantes é garantir uma sobrepressão entre 1 e
2 Pa, de modo a prevenir a fuga de gases, em especial de CO. Sempre que se varia o caudal de ar, é
necessário regular a abertura da válvula de exaustão para manter o valor da pressão.
É importante garantir um isolamento eficaz da grelha, de modo a prevenir entradas de ar e fugas de
gases resultantes da combustão pela base do reactor.
É necessário observar de forma permanente a chama, para se assegurar que não ocorrem bloqueios
no fornecimento de combustível (sistema de alimentação).
Não se deve ultrapassar a velocidade 1 do motor, devido ao total preenchimento do queimador e às
elevadas temperaturas que se atingem no interior do reactor para velocidades superiores a essa,
além de haver ainda a possibilidade de detrimento do aço.
37
É importante manter o perímetro em redor da instalação limpo e desimpedido.
Quando se pretende parar definitivamente a alimentação do combustível, deve desligar-se o reóstato
no botão on/off, evitando assim qualquer movimentação do motor.
Após a conclusão dos ensaios, já sem a admissão de combustível, deve abrir-se por completo a
válvula de exaustão e aumentar as quantidades de ar fornecidas, de modo a arrefecer o reactor até
uma temperatura na parede do forno de aproximadamente 300 °C e soprar o queimador,
desobstruindo eventuais entupimentos dos seus furos.
Previamente ao início dos ensaios, é necessário proceder à limpeza da grelha e da janela de
observação. Deve retirar-se a mola, e verificar se existe alguma obstrução das espiras. Deve inserirse um arame no tubo de alimentação para desobstruir um eventual atravessamento e, finalmente,
deve verificar-se o posicionamento da saída deste em relação ao início do queimador.
2.11. Técnicas de medida e incertezas experimentais
2.11.1. Espécies químicas
A amostragem de gases é realizada por uma sonda em aço inox, com arrefecimento convectivo
indirecto a água, com as dimensões especificadas na Figura 2.14. O arrefecimento garante o
congelamento das reacções químicas, conservando-se a composição química da amostra.
Figura 2.14- Sonda em aço inox com arrefecimento indirecto a água
A saída da sonda está conectada a uma linha de PTFE (polytetrafluoretileno), que é um material
quimicamente inerte, que conduz a amostra até um sistema de amostragem. Neste sistema a
amostra passa por um condensador de serpentina e um reservatório com sílica gel, onde esta é seca,
e, finalmente, passa através de filtros de algodão, chegando aos analisadores, seca e livre de
impurezas. A Figura 2.15 esquematiza a amostragem das espécies químicas.
38
Figura 2.15- Esquema do sistema de amostragem
Os analisadores são calibrados antes do início dos ensaios, em zero e referência, recorrendo a
misturas padrão, e utilizam diferentes métodos de análise. As espécies químicas analisadas são o O2,
CO2, CO, NOx e o HC. A Tabela 2.3 apresenta o modelo do analisador e o método de análise
utilizado para a cada espécie.
Tabela 2.3- Tipo e método de análise dos analisadores
Espécie química
O2
CO2
CO
NOx
HC
Analisador
Método de análise
Incerteza instrumental
Paramagnetismo
± 2%
Horiba
Modelo CMA-311 A
Horiba
Não dispersivo de
Modelo CMA-311 A
infravermelhos
Horiba
Não dispersivo de
Modelo CMA-311 A
infravermelhos
Horiba
Quimiluminescência
Modelo CLA-510 SS
Amluk
Detecção por ionização de
Modelo FID E 2020
chama
± 2%
± 2%
± 2%
± 1%
A utilização de sondas arrefecidas a água induz certas incertezas experimentais que se podem
relacionar com os seguintes aspectos: (1) eficiência do congelamento imediato das reacções
químicas; (2) dissolução de algumas espécies químicas (CO2, NO2 e HC) na água condensada ao
longo da linha [55]; (3) perturbações aerodinâmicas, trocas de calor entre a sonda e a envolvente e
(4) amostragem não isocinética.
39
À gama de temperaturas a que se realizou a amostragem, entre os 550 e 750 °C, e dada a
quantidade de combustível utilizado, é de esperar que os efeitos de congelamento das reacções e de
condensação sejam os mais relevantes para as incertezas experimentais.
2.11.2. Temperatura
Na medição de temperaturas foram utilizados dois termopares do tipo K com protecção de aço
inoxidável (com emissividade de 0,67, dado que está altamente oxidado), constituídos por uma liga
de Ni-Cr e Ni-Al e com uma precisão de ±2,5°C. Este tipo de termopar é utilizado para temperaturas
inferiores a 1000 °C e os sinais analógicos provenientes dos mesmos são convertidos numa placa
A/D, que os transmite para um computador que regista o seu valor a cada segundo (ver Figura 2.16).
Segundo Wang et al. [56], a temperatura lida pelo termopar é a temperatura do gás adicionada aos
efeitos de radiação emitida pelas paredes do reactor. A temperatura corrigida do gás pode ser
estimada com base no balanço de energia na cabeça do termopar, dado pela seguinte equação, em
que representa o termopar:
−
á
+ Ɛ
−
=0
Este balanço despreza os efeitos de condução e, segundo os autores, a temperatura lida no termopar
é influenciada, no máximo, por 14% da diferença entre a temperatura do gás e das paredes do
reactor, pelo que neste trabalho foram desprezados os efeitos radiactivos.
Figura 2.16- Esquema da constituição do termopar
2.11.3. Pressão
A pressão estática é lida num manómetro de coluna de água, com escala de 0 a 200 Pa com uma
precisão de ±2%.
40
2.12. Valor acrescentado pelo reactor experimental
Comparativamente a outras instalações laboratoriais, dada a geometria cilíndrica do reactor
concebido, é possível tratar os fenómenos físicos de forma bidimensional, o que simplificará por sua
vez, a análise dos estudos realizados nesta instalação. Outra vantagem é a estrutura modular, que
permite ajustar a altura do reactor consoante a finalidade pretendida, aumentando assim a variedade
dos estudos que podem ser efectuados.
O sistema de alimentação em mola permite utilizar pellets com diferentes durezas e conserva as suas
propriedades ao longo do seu percurso.
O facto de se visualizar a chama e o interior do reactor, enquanto se procede à amostragem,
aumenta por, um lado, a fiabilidade dos resultados e, por outro, a segurança da própria instalação
experimental. Poder-se-á dar um exemplo verídico, em que ocorreu uma obstrução parcial dos furos
do queimador, devido à presença acidental de um pedaço de manta térmica sobre o mesmo. No
entanto, a combustão não se extinguiu e caso não existisse a janela de observação, ter-se-iam
registado os valores de forma negligente.
O reactor possui a tecnologia de estagiamento do ar de combustão, tendo uma entrada de ar
secundário tangencial, que promove de forma eficiente a mistura do ar com os produtos de
combustão.
A válvula de exaustão permite regular a pressão no interior do reactor, sendo mais uma possível
variável de estudo.
41
3. Resultados e Discussão
3.1.
Introdução
O presente capítulo divide-se em duas partes: ensaios de comissionamento, onde se preparou a
instalação laboratorial para estudos futuros; e ensaios de estagiamento de ar, onde se investigaram
os seus efeitos na emissão de poluentes resultantes da queima da biomassa.
Para os ensaios realizados, os valores de HC foram da ordem dos 3 ppm, pelo que se desprezou a
sua contribuição para os respectivos estudos.
Nos testes de comissionamento, mediram-se os perfis radiais das emissões de O2, CO2, CO e NOx no
reactor, com dois e três módulos, para uma dada carga térmica e condições de operação constantes
(distribuição e caudais de ar). Investigou-se também o efeito da adição do módulo2 nas emissões
destas espécies químicas.
Depois de comissionada a instalação experimental, foram efectuados ensaios específicos para avaliar
a influência do estagiamento de ar nas emissões das espécies químicas referidas, para duas cargas
térmicas distintas.
Definiram-se duas zonas de combustão, a primária e a secundária, sendo a última iniciada aquando
da injecção do ar secundário. A evolução das temperaturas na zona primária com a variação do
caudal de ar primário pode ser analisada, tendo por base as temperaturas no queimador.
Salienta-se que em todos os gráficos de espécies químicas incluídos nesta dissertação, cada valor
apresentado dispõe de uma barra de incerteza, que indica o valor máximo e mínimo registado
durante a sua amostragem. Foram realizadas, no mínimo, seis medições por valor.
3.2. Comissionamento e influência da configuração do reactor
Analisaram-se duas configurações da altura do reactor com dois e três módulos (ver Figura 3.1), para
a carga térmica de 14,0 kW, utilizando os caudais de ar primário e secundário de 150 e 50 l/min,
respectivamente. A escolha dos caudais de ar foi realizada em testes preliminares. Visto que um dos
objectivos desta dissertação é investigar os efeitos do estagiamento de ar, o começo óbvio é iniciar
os ensaios com elevada quantidade de ar primário. No entanto, verificou-se que bastava uma
pequena quantidade de ar secundário para auxiliar a estabilidade da chama, pelo que se optou por
injectar o mínimo possível de ar secundário, isto é 50 l/min.
Inicialmente, realizou-se um varrimento radial da sonda das espécies químicas na porta2, com o
intuito de avaliar a sua estabilização ao longo do raio (ver Figura 3.2). Uma vez estabilizadas as
distribuições radiais das espécies químicas na porta2, procedeu-se de igual forma para a porta1,
desta vez com o objectivo de verificar a extinção das reacções de combustão. A extinção das
reacções é uma condição essencial para se efectuar a recolha de partículas na porta2, em condições
42
idênticas às da exaustão (chaminé). A vantagem da recolha se efectuar na porta2 e não na tubagem
de exaustão, deve-se ao facto de, na porta2, não ocorrer a convergência das linhas de corrente
(situação que se verifica na bifurcação do módulo3), evitando-se assim a colisão entre partículas,
mantendo estas as suas dimensões originais. A estabilização radial das espécies químicas permite
que a amostragem das mesmas possa ser executada no centro do reactor.
Figura 3.1- Configuração do
reactor com dois e três módulos
Figura 3.2- Posicionamento da sonda e do termopar para o ensaio de
comissionamento com três módulos: ar primário e secundário de 150 e
50 l/min.
No primeiro teste de comissionamento utilizou-se a configuração de dois módulos, tendo-se
observado um perfil radial de espécies químicas não desenvolvido (ver Figura 3.3 e Figura 3.4).
Neste ensaio as temperaturas medidas na porta2 foram sempre inferiores a 800 °C.
Verifica-se que na zona central do reactor a concentração de O2 e as emissões de CO, são
superiores às da zona periférica, contrariamente às emissões de NOx e o CO2, que atingem os seus
máximos junto das paredes do reactor (ver Figura 3.3 e Figura 3.4).
16
O2 e CO2 (%)
14
12
10
8
O2
CO2
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.3- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de dois módulos-Porta2
43
CO
50
40
30
20
CO (mg/Nm3)
NOx (mg/Nm3)
NOx
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.4- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de dois módulos-Porta2
Uma possível explicação para este comportamento reside no facto da disponibilidade de oxidante
(O2) ser superior no centro do reactor (a alimentação de ar primário representa 75% do total de ar),
aumentando a temperatura do leito e, por conseguinte, da taxa de reacção do combustível. Assim é
consumido mais resíduo carbonoso e libertados mais CO.
Em relação às emissões de NOx, estudos anteriores provaram que o mecanismo do combustível é o
que mais contribui para a formação deste poluente (cerca de 70%). Por não estarem reunidas as
condições necessárias para o mecanismo térmico, isto é temperaturas superiores a 1300 °C, a
restante contribuição dever-se-á ao mecanismo imediato, dadas as menores concentrações de O2 na
zona periférica. Relembra-se que este mecanismo ocorre para temperaturas inferiores a 1300 °C e
em condições de baixa concentração de oxigénio.
Uma vez que o perfil radial das espécies químicas não está desenvolvido na porta2, não o estará
também seguramente na porta1, que está montante da porta2, pelo que não se mediu nesta.
No segundo teste de comissionamento utilizou-se a configuração de três módulos. O procedimento foi
igual ao teste anterior. Na Figura 3.5 e Figura 3.6 podem observar-se os resultados.
44
16
O2 e CO2 (%)
14
12
10
8
O2
6
CO2
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.5- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta2
CO
60
160
140
50
120
100
40
30
80
60
40
20
CO (mg/Nm3)
NOx (mg/Nm3)
NOx
180
10
20
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.6- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta2
Verifica-se que os perfis radiais das espécies químicas estão desenvolvidos, significando que o
escoamento no interior do reactor já se encontra completamente desenvolvido. Assim, para futuros
ensaios nas mesmas condições de operação e caudais mássicos de pellets, é possível recolher
amostras de espécies químicas no centro do reactor.
Comparando os valores apresentados com os obtidos na configuração de dois módulos, verifica-se
que incorporando o módulo2, as emissões relativas à combustão incompleta diminuem,
especialmente as de CO, reduzindo-se em 60%. Esta diminuição deve-se essencialmente ao
aumento do tempo de residência causado pela adição do módulo2. Assim, o CO vai permanecer mais
tempo em regiões de elevadas temperaturas, o que aliado à presença de O2, conduz à sua melhor
oxidação e consequente, redução nos gases de exaustão.
45
O tempo de residência dos produtos de combustão, pode ser estimado pela seguinte equação [57],
ê
= (ℎ ∗ )/(
) ∗ (273/
é
)
onde ℎ(m) é a altura no interior do reactor desde a última admissão de ar (ar secundário) até à porta2
(local de amostragem),
volumétrico e
é
2
(m ) é a área de secção transversal do reactor,
3
(m /s) é o caudal
(K) é a temperatura média no interior do reactor. O último coeficiente pondera a
influência da temperatura na massa volúmica do ar.
Este tempo de residência corresponde ao valor mínimo, dado que não é contabilizado o movimento
de rotação dos gases induzido pelo swirl.
A temperatura medida pelo termopar na grelha rondou os 850 °C, enquanto a temperatura medida
pelo termopar colocado na porta1, para a configuração de dois e três módulos, foi aproximadamente
de 700 e 650 °C, respectivamente. Já a temperatura no termopar do forno teve uma variação
insignificante durante os ensaios, dada a elevada inércia térmica do mesmo, por este motivo, não se
avaliou a sua temperatura nos ensaios realizados. Desprezando o efeito do arrefecimento causado
pela adição do módulo2, assumiu-se como temperatura média no interior do reactor, 800 °C.
Para o valor do caudal de ar total utilizado de 200 l/min, obtiveram-se os seguintes tempos de
residência para as duas configurações analisadas (ver Tabela 3.1).
Tabela 3.1- Tempos de residência mínimos para as duas configurações
Tempos de residência mínimos (segundos)
Dois módulos
Três módulos
1,16
1,77
Ou seja, no mínimo (sem contabilizar a rotação do escoamento e o arrefecimento causado pelo
módulo2), incorporando o módulo2, incrementa-se o tempo de residência em 53%.
Uma vez estabilizadas as espécies químicas na porta2, analisou-se o seu comportamento na porta1,
com o objectivo de verificar que os valores das suas emissões são semelhantes. Na Figura 3.7 e na
Figura 3.8 são apresentados os resultados obtidos.
46
16
O2 e CO2 (%)
14
12
10
8
O2
6
CO2
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.7- Emissões de O2 e CO2 ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta1
NOx
CO
180
60
160
NOx (mg/Nm3)
120
40
100
30
80
60
20
40
CO (mg/Nm3)
50
140
10
20
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância à parede (mm)
Figura 3.8- Emissões de NOx e CO ao longo do raio: Configuração de três módulos-Porta1
Também na porta1 os perfis radiais das espécies químicas estão desenvolvidos e os valores médios
correspondentes são praticamente os mesmos que na porta2, salvo pequenas oscilações, devido à
variação do caudal de biomassa fornecido. Sendo os perfis iguais para ambas as portas, confirma-se
a extinção das reacções de combustão entre estas, podendo efectuar-se a captura de partículas em
condições de exaustão.
A composição modular do reactor revelou-se uma mais-valia, pela flexibilidade de configuração que
aufere.
Para os três testes de comissionamento observou-se que as temperaturas médias no queimador,
durante os ensaios de comissionamento, foram sensivelmente iguais (ver Figura 3.9), o que
demonstra que o fornecimento de pellets pelo sistema de alimentação em mola é suficientemente
regular.
47
Temperaturas médias no queimador
950
900
T (°C)
850
800
750
700
650
600
2 Módulos /Porta2
3 Módulos/Porta2
3 Módulos /Porta1
Configuração/Porta
Figura 3.9- Temperatura no queimador para os testes de comissionamento
Dado que para a configuração de três módulos, se verificou um perfil radial de espécies químicas
desenvolvido, no estudo da influência do estagiamento de ar, foi possível recolher espécies químicas
no centro do reactor. Assim, posicionaram-se ao centro do reactor, a sonda e o termopar móvel, nas
portas 2 e 1, respectivamente.
3.3. Influência do estagiamento de ar
Investigou-se a influência do estagiamento de ar nas emissões de O2, CO2, CO e NOx para as duas
cargas térmicas testadas, 14 e 34 kW. Conservou-se a quantidade de ar fornecida ao reactor,
variando apenas a razão entre o ar primário e secundário. Utilizou-se um caudal volumétrico de ar de
200 (igual ao dos testes de comissionamento) e 300 l/min para as cargas térmicas 14 e 34 kW,
respectivamente.
Nestes ensaios, inseriu-se um termopar na porta1 do módulo3, para analisar os efeitos do
estagiamento de ar na temperatura do reactor.
Os valores das emissões de CO e NOx foram normalizados para o valor de referência de 13% de O2,
valor estipulado por lei para a apresentação dos resultados em unidades de combustão de pequena
escala.
Os ensaios de 14 kW iniciaram-se pela distribuição de ar adoptada nos testes de comissionamento,
25% de ar secundário, sendo esta percentagem incrementada (e consequentemente reduzida a de ar
primário) progressivamente em intervalos de 10% até se atingir o valor de 65%, a partir do qual se
observou uma combustão muito incompleta, isto é, verificou-se o aparecimento de fumo negro (ver
Figura 3.10). Possivelmente, este efeito resultou da baixa volatilização causada pela redução da
48
temperatura na zona primária de combustão, consequência do menor fornecimento de oxigénio à
chama, e do arrefecimento induzido pela admissão de ar secundário.
Figura 3.10- Imagem da chama com 75% de ar secundário: presença de fumos negros
A Figura 3.11 contrasta com a anterior e exibe a rotação do escoamento induzida pela admissão do
ar secundário.
Figura 3.11- Imagem da chama com 55% de ar secundário
49
Os efeitos da combustão estagiada podem ser analisados nas Figura 3.12 e Figura 3.13. Relembrase que somente a razão ar primário-ar secundário foi alterada, mantendo-se a quantidade total de ar
fornecida ao reactor.
18
O2 e CO2 (%)
16
14
12
10
O2
8
CO2
6
4
2
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.12- Emissões de O2 e CO2 em função do % de ar secundário para 14kW
Valores corrigidos @ 13% O2
CO
NOx
160
CO e NOx (mg/Nm3)
140
120
100
80
60
40
20
0
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.13- Emissões de NOx e CO em função do % de ar secundário para 14kW
Observa-se que o aumento da concentração de O2 nos gases de exaustão está correlacionado com o
aumento do ar secundário. Este aumento deveu-se ao facto do oxigénio fornecido pelo ar secundário
não estar a alimentar directamente o leito, o que leva à menor participação nas reacções de
combustão, elevando portanto a sua concentração nos gases de exaustão.
50
Existem três parâmetros que influenciam a emissão de CO, ou seja, a combustão incompleta: (1) a
eficiência da mistura (intensidade do swirl); (2) o arrefecimento provocado pela insuflação do ar
secundário; (3) diminuição da temperatura na zona primária. Os últimos dois aumentam a emissão
destes poluentes e tornam-se mais gravosos para caudais de ar secundário superiores.
Na Figura 3.13 observa-se que, para o intervalo de ar secundário entre os 25 e 55%, existe um ligeiro
aumento dos valores de CO, havendo um quase equilíbrio entre os parâmetros indicados. Para o
mesmo intervalo, as emissões de NOx reduziram-se em cerca de 20%, indicando que a tecnologia de
estagiamento de ar na combustão em grelha fixa é uma alternativa válida para o controlo deste
poluente.
As emissões de NOx decresceram monotonamente com o aumento do ar secundário (ver Figura
3.13). Possivelmente, o aumento do ar secundário reduz a disponibilidade de oxigénio no queimador,
minorando a oxidação do azoto quimicamente ligado ao combustível (principal mecanismo de
formação). Para além disso, a redução da concentração de oxigénio leva à diminuição da
temperatura na zona primária, o que também auxilia à mitigação deste poluente, dada a menor taxa
de reacção (ver Figura 3.14).
Constata-se que as evoluções das emissões de O2 e CO são simétricas às de CO2. Possivelmente o
aumento do ar secundário provoca um congelamento da reacção de conversão de CO em CO2 e,
consequente, resulta num aumento de CO e diminuição de CO2 (ver Figura 3.12 e Figura 3.13).
Observa-se que na Figura 3.13, para o valor de 65% de ar secundário, existe um aumento de cerca
de 80% das emissões de CO, relativamente ao ponto anterior (55%), que possivelmente se deve ao
facto do arrefecimento provocado pela entrada do ar secundário, se tornar preponderante face à
mistura de ar e gases de combustão, que a mesma promove.
900
850
800
T (°C)
750
700
Tqueimador
650
Tporta1
600
550
500
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.14- Temperatura no queimador e porta1 em função do % de ar secundário para 14kW
51
Na Figura 3.14 estão presentes as temperaturas médias no centro do queimador e na porta1.
Ressalva-se que os pontos deste gráfico não se podem relacionar directamente com os dos gráficos
das espécies químicas, devido à discrepância de tempos de amostragem de espécies e de aquisição
de temperaturas, no entanto fornece uma visão global dos processos.
Para a carga térmica de 34 kW, o caudal de ar total utilizado foi de 300 l/min. Escolheu-se este caudal
de ar com o intuito de utilizar a menor quantidade de ar secundário possível. O seu incremento foi
realizado do mesmo modo. No entanto, dada a elevada carga térmica e a limitação dos 60% de
caudal de ar primário (explicado na secção 2.10.), só foi possível estabilizar a chama com 40% de ar
secundário. A Figura 3.16 e a Figura 3.17 apresentam os valores registados no ensaio de
estagiamento de ar para a carga térmica mencionada.
18
O2 e CO2 (%)
16
14
12
10
O2
8
CO2
6
4
2
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.15- Emissões de O2 e CO2 em função do % de ar secundário para 34kW
Valores corrigidos @ 13% O2
CO
NOx
160
CO e NOx (mg/Nm3)
140
120
100
80
60
40
20
0
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.16- Emissões de NOx e CO em função do % de ar secundário para 34kW
52
Embora a relação entre a quantidade de ar e combustível seja inferior, tal como na carga térmica de
14 kW, verificou-se um aumento da concentração de O2 e CO e uma diminuição das emissões de
CO2 e NOx para caudais de ar secundário crescentes, o que reforça as considerações anteriores
sobre o estagiamento de ar na combustão em grelha fixa.
Para a carga térmica de 34 kW, o estagiamento de ar pode ser estendido até percentagens de ar
secundário superiores. Observa-se que na Figura 3.15 e Figura 3.16, para o valor de 65% de ar
secundário, não se verifica o aumento brusco da concentração de O2 e CO nos gases de exaustão,
tal como se constatou para a carga térmica de 14 kW. Tal, deve-se ao menor excesso de ar e à maior
carga térmica deste ensaio, que têm como consequência o aumento da temperatura no interior do
reactor e, por conseguinte, o aumento da taxa de reacção do CO, resultando numa menor
concentração deste poluente.
Contudo, para esta carga térmica, à medida que se aumentou o ar secundário, verifica-se um
arrefecimento mais acentuado no interior do reactor (porta1), comparativamente com a carga térmica
de 14 kW (ver Figura 3.17). Este efeito deve-se à entrada de um maior caudal de ar secundário, que
vai requerer mais calor à chama.
Devido à temperatura no queimador ser semelhante para as mesmas percentagens de ar secundário,
ao baixo teor de azoto do combustível (ver Tabela 2.1) e ao aumento da temperatura no interior do
reactor ser insuficiente para o mecanismo térmico se tornar significativo (ver Figura 3.17), os valores
das emissões de NOx, não se alteraram significativamente para ambos os ensaios de estagiamento
de ar.
900
850
T (°C)
800
750
700
Tqueimador
650
Tporta1
600
550
500
35
40
45
50
55
60
65
70
% Ar secundário
Figura 3.17- Temperatura no queimador e porta1 em função do % de ar secundário para 34Kw
53
4. Fecho
4.1.
Conclusões
Para além de todo o trabalho aferido de concepção do reactor experimental, e posterior construção e
montagem, o presente trabalho engloba ainda mais duas tarefas: ensaios de comissionamento da
instalação laboratorial; e ensaios onde se investigou a influência do estagiamento de ar na emissão
de poluentes resultantes da combustão da biomassa. Os resultados permitiram extrair as seguintes
conclusões:

A estrutura modular é adequada em termos da flexibilidade de configuração do reactor. A
incorporação do terceiro módulo conduz à estabilização dos perfis radiais das espécies
químicas, permitindo a amostragem no centro do reactor e à extinção das reacções de
combustão na zona de amostragem, possibilitando a recolha de partículas na porta2 em
condições idênticas às de exaustão.

O aumento da altura do reactor, para uma carga de 14 kW (temperatura média do reactor de
800 °C) e um caudal de ar total de 200 l/min, permite maximizar em 53% o tempo de
residência dos gases. Comparativamente com a configuração de dois módulos, as emissões
de CO reduziram-se em cerca de 60%.

Verificou-se que o aumento do ar secundário é acompanhado pelo aumento da concentração
de O2 nos gases de exaustão. Esta constatação parece estar relacionada com a menor
participação do oxigénio insuflado na zona secundária nas reacções de combustão.

Constatou-se que as evoluções das emissões de O2 e CO são simétricas às de CO2. O
aumento do ar secundário parece provocar um congelamento da reacção de conversão de
CO em CO2, resultando num aumento de CO e diminuição de CO2.

No ensaio à carga térmica de 14 kW, para a gama de valores de ar secundário entre os 25 e
55%, existe um ligeiro aumento dos valores de CO e uma redução de cerca de 20% nas
emissões de NOx. Desta constatação pode inferir-se que a tecnologia de estagiamento de ar
é adequada para minorar as emissões de NOx. Esta redução, resulta da menor oxidação do
azoto quimicamente ligado ao combustível.

Para a carga térmica de 34 kW, verificou-se que é possível estender a percentagem de ar
secundário para valores superiores, sem a existência de um aumento brusco das emissões
de CO. Tal, deve-se ao menor excesso de ar e à maior carga térmica deste ensaio, que têm
como consequência o aumento da temperatura no interior do reactor e, por conseguinte, a
taxa de reacção de CO, resultando numa menor concentração deste poluente.
54
4.2. Trabalhos Futuros
Uma vez que se investiu muito tempo na concepção do reactor experimental e o seu projecto teve
como finalidade ser o mais genérico possível, existe uma grande variedade de estudos que podem
ser realizados. Assim, na presente secção recomendam-se alguns estudos possíveis de ser
executados nesta instalação laboratorial:

Investigar a influência do estagiamento de ar nas emissões de partículas, incluindo a sua
composição química, especialmente nas finas (da <2,5 µm), por serem as que têm efeitos
mais severos para a saúde humana e equipamentos.

Estudar os efeitos da pressão no interior do reactor nas emissões de gases e partículas.

Caracterizar a emissão de gases e partículas para a queima de pellets de novas fontes de
biomassa, como por exemplo, CDR, acácia, caroços de frutos, casca de arroz, etc.

Avaliar a diferença da recolha de partículas no reactor e no tubo de exaustão, com o intuito
de verificar, ou não, os efeitos da convergência das linhas de corrente nas suas dimensões.

Uma vez que o reactor está envolvido por um forno eléctrico, pode investigar-se a influência
da temperatura do reactor na formação/emissão de espécies químicas e partículas.

Estudar a relação da formação de NOx com a emissão/formação de partículas, dado que se
verificou uma carência de conclusões sobre esta relação na bibliografia.

Analisar a formação de depósitos em diferentes zonas do reactor, para diversas distribuições
de ar primário/secundário.
55
5. Referências
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59
Anexos
Anexo A - Desenhos técnicos
Módulo 1
Figura anexo 1- Desenho técnico Módulo1
60
Módulo 2
Figura anexo 2- Desenho técnico Módulo2
61
Módulo 3
Figura anexo 3- Desenho técnico Módulo3
62
Grelha Fixa
Figura anexo 4- Desenho técnico Grelha Fixa
63
Anexo B - Caldeira comercial da marca wodtke
Figura anexo 5- Caldeira doméstica wodtke
64
Anexo C – Conversão de unidades dos poluentes
Tabela anexo 1- Conversão de unidades
mg/Nm3
ppm @ O2
[ ].
[X]
22,40
mg/Nm3@13%O2
=[ ],
∶
é
( /
)
22,40: volume molar (l/mol) de um gás perfeito em
condições PTN
65
[ ].
21 − 13
21 −