ESTUDOS SOBRE A COMBUSTÃO DE CARVÕES VEGETAIS PORTUGUESES EM LEITO FLUIDIZADO RESUMO

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1 ESTUDOS SOBRE A COMBUSTÃO DE CARVÕES VEGETAIS PORTUGUESES EM LEITO FLUIDIZADO PINHO, C., CEFT-DEMec, FEUP, Rua Dr. Roberto Frias, s/n , Porto, Portugal. RESUMO O trabalho desenvolvido no Centro de Estudo de Fenómenos de Transporte (CEFT) quer no DEMEC/INEGI no Porto, quer no DEMGI do ISPV consta da obtenção de dados cinéticos e difusivos relativos à queima de carvões vegetais obtidos com madeiras de origem portuguesa. Durante a queima de madeira o processo de combustão segue uma sequência de passos que se definem como [1] secagem, pirólise e queima do resíduo sólido carbonoso. A duração desta última parte é cerca de três a quatro vezes mais longa que as anteriores. Como tal, o estudo dos aspectos cinéticos e difusivos da queima dos carvões vegetais é fundamental para a concepção de sistemas de queima de biomassa lenhosa [2]. Por outro lado a disponibilidade de dados científicos referentes à combustão de carvões vegetais é bastante limitada quando comparada com o que há disponível para coques [3]. Embora a obtenção de dados cinéticos possa ser obtida por balanças termo gravimétricas, esta metodologia obriga ao uso de baixas temperaturas para minimizar o peso da transferência de massa na taxa da reacção, de modo a que a combustão seja controlada pela cinética. Contudo para ensaios acima dos 700 ºC, tal não é verdade [4]. Os estudos efectuados no CEFT, vão desde os 600 ºC até aos 900 ºC e são realizados em reactores em leito fluidizado borbulhante. O leito fluidizado, permite detectar efeitos que componentes menores da cinza têm no comportamento fluidodinâmico do leito, indiciando futuros problemas de corrosão e de qualidade de fluidização em sistemas industriais [5]. Recorrendo-se a um modelo matemático simples, avaliase a resistência global à combustão, quantificando-se o peso da difusão e da cinética [6]. Foram inicialmente estudados dois carvões vegetais disponíveis no mercado, um carvão comercial de pinheiro manso (Pinus pinea) e um carvão comercial de sobro (Quercus suber). Em complemento recarbonizaram-se estes carvões em leito fluidizado com N 2 e à temperatura de 850 ºC e estudou-se também a sua combustão. Todos os testes foram realizados em leito fluidizado entre 600 e 750 ºC [6,7]. Foi ainda avaliada a influência da fragmentação primária das partículas [8] na determinação dos dados difusivos e cinéticos. A fragmentação secundária foi desprezável.

2 Actualmente estuda-se em Viseu a combustão de carvão obtido a partir de pinheiro bravo (Pinus pinaster), eucalipto (Eucalyptus globulus), sobro (Quercus suber) e azinho (Quercus ilex) para temperaturas entre 750 e 900 ºC e ainda para condições de fluidodinâmica do leito complementares das já estudadas e neste caso sempre com carvões obtidos em laboratório. RESULTADOS. A figura mostra uma evolução típica da resistência global à combustão. É evidente uma descida abrupta desta devida ao aquecimento das partículas e à fragmentação primária. Figura - Evolução da resistência global à combustão com o diâmetro para os quatro tamanhos de partículas de carvão de pinheiro manso recarbonizado. Temperatura do leito, 750ºC; velocidade de 9U mf. Valores de 1/K correspondentes à resistência mínima (1/K min.) e às fracções queimadas de 25 e 50%. Da análise dos resultados experimentais pode escrever-se, para os carvões comerciais de pinheiro manso e sobro, a equação de Arrhenius k 1667, 4e c 6 82,2 10 RT (1) e para os carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados 6 102,7 10 RT k 53891,1e c (2) Estas duas correlações permitem obter os valores da constante de velocidade da reacção k c em função da temperatura absoluta do leito T e a constante universal dos gases perfeitos R. O efeito da fragmentação primária sobre os valores da constante da taxa de reacção em fase heterogénea k c observa-se na tabela seguinte

3 Tabela - Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de k c. Partículas de carvão comercial de pinheiro manso com valores de k c correspondentes à resistência global mínima. U/U mf = 9 U/U mf = 12 T (ºC) k c (m/s) k c corrigido k c (m/s) k c corrigido 600 0,025 0,020 0,023 0, ,071 0,059 0,082 0, ,116 0,112 0,176 0,143 Se o efeito da fragmentação primária não for considerado na determinação da resistência global à combustão, o valor da reactividade das partículas aparenta ser superior àquele que efectivamente é, devido ao aumento do número de partículas provocado pela quebra, que contribui para o aumento da taxa de queima. Apesar desta ressalva, pode concluir-se que, para a gama de temperaturas e diâmetros de partículas estudados, a não consideração do efeito da fragmentação primária afecta ligeiramente os parâmetros cinéticos obtidos. Tal situação poderá não ser aplicável para os casos de temperaturas mais elevadas, pois é de prever que nessas situações o fenómeno de fragmentação primária tenha maior relevância. REFERÊNCIAS. [1] Van Loo, S and Koppejan, J., (2008) The Handbook of Biomass combustion and Co-firing, Earthsan, London. [2] Adánez, J., de Diego, F., García-Labiano, F., Abad, A. and Abanades, J.C., (2001), Determination of biomass char combustion reactivities for FBC applications by a combined method, Ind. Eng. Chem. Res., 40, p [3] Branca, C. and Di Blasi, C., (2003), Global kinetics of wood char devolatilization and combustion, Energy and Fuels, 17, [4] Fennell P.S., Kadchha S., Lee H-Y., Dennis J.S. and Hayhurst A.N., (2007), The measurement of the rate of burning of different coal chars in an electrically heated fluidised bed of sand, Chem. Eng. Sci., 62, p [5] Khan, A.A, de Jong, W., Jansens, P. and Spliethoff, H., (2009), Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potential problems and remedies, Fuel Proc. Technology, 90, p [6] Rangel, N. and Pinho, C, (2011), Kinetic and diffusive data from batch combustion of wood chars in fluidized bed, aceite para publicação no Biomass and Bioenergy. [7] Moreira, N.A.R., (2007), Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito Fluidizado, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP. [8] Pinho, C., (2006) Fragmentation on batches of coke or char particles during fluidized bed combustion, Chemical Engineering Journal, 115, p

4 Carlos Pinho CEFT-DEMEC

5 Leito borbulhante com 80 mm de diâmetro interno. CEFT/INEGI - FEUP e ESTV - IPV 2

6 Leito com 50 mm de diâmetro interno. CEFT/INEGI - FEUP d ) b ) c ) a ) e ) f ) g ) h ) i ) j ) k ) 3

7 Queima de cargas partículas de carbono em leito fluidizado borbulhante isotérmico aquecimento desumidificação pirólise com libertação de voláteis e formação de um resíduo sólido carbonoso queima dos voláteis queima do resíduo sólido carbonoso (Moreira, 2007) (Van Loo e Koppejan, 2008) 4

8 A reacção entre o C e o O 2 à superfície de uma partícula de carbono (na verdade de carvão), tem como primeiro produto o CO, segundo a reacção: C O2 CO Havendo agora duas possibilidades a considerar: i) A queima do CO dá-se quase instantaneamente após a sua formação, junto à superfície da partícula; ii) A queima do CO terá lugar na fase gasosa longe da Partícula. CO + 1 O 2 CO 2 2 No caso do leito fluidizado, onde as partículas evoluem no seio de um leito de inertes, estes actuam como inibidores da reacção de oxidação do CO, o qual acaba por queimar longe das partículas. (Guedes de Carvalho et al., 1991; Mota et al., 1994; Ribeiro e Pinho, 2004 ) 5

9 A taxa de queima de uma partícula de carbono 2 nc 2 d K C p 1 d 2 K Sh D g k c (Beça, 2011 ) Da leitura da composição dos produtos gasosos da combustão de cargas de carvão, principalmente via CO 2 obtêm-se valores instantâneos de 1/K versus diâmetro da partícula d. 6

10 1/K [s/m] Estudos Sobre a Combustão de Carvões 1 K (resistência global à queima) = massa por difusão) + heterogénea) (Beça, 2011 ) 2 k c d Sh D g (resistência devida à transferência de (resistência devida à cinética da reacção química Carvão de cortiça triturada Temperatura do leito, 800 ºC 75,0 65,0 55,0 45,0 35,0 25,0 15,0 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 d [m] di= 1,8 mm di= 2,2 mm di= 2,8 mm di= 3,6 mm di=1,8 mm - 25% di=1,8 mm - 50% di=2,2 mm - 25% di=2,2 mm - 50% di=2,8 mm - 25% di=2,8 mm - 50% di= 3,6 mm - 25% di= 3,6 mm - 50% 7

11 Tempo de queima de uma carga t f c 1 1 f di c 1 1 f i d f mc 8 Sh D gm cc o 2 k cm cc o M catc o U U U mf exp X Tempo de queima de uma partícula em combustão em regime permanente t f f d 2 i 1 1 f i d c 2 Sh D g k c f m c 4 M c C o M cu U mf At1 exp X 8

12 Quatro tipos de carvão estudados Carvão comercial. de p. manso (Pinus pinea) Carvão de pinheiro manso recarbonizado Carvão comercial de sobro (Quercus suber) Carvão de sobro recarbonizado. Massa das cargas (g) 5,00 Tamanhos das partículas (mm) 1,8, 2,2, 2,8 e 3,6 Temperaturas do leito (ºC) Vel. mínimas de fluidização (mm/s) 50,1 46,6 45,1 Vel. do ar de fluidização (U mf ) Carvão p. manso Carvão p. manso recarb. Carvão sobro Carvão sobro recarb Vel. do ar de fluidização (m/s) 0,35 0,45 0,60 0,33 0,42 0,56 0,32 0,41 0,54 Profundidade do leito (mm) 100 (Moreira, 2007) 9

13 (Moreira, 2007) 10

14 a) 600ºC 7U mf b) 600ºC 9U mf T (ºC) U/U mf (-) Sh (-) k c (m/s) Cinética (%) Cinética (%) Cinética (%) Cinética (%) 120 1/K (s/m) y = 35,31x + 29,55 R 2 = 0,77 1/K (s/m) y = 5,78x + 81,58 R 2 = 0,75 1/K (s/m) min. d (mm) c) 600ºC 12U mf y = 88,46 recta horizontal mais provável d (mm) Peso relativo das resistências difusiva e cinética para queima de partículas de carvão de pinheiro manso comercial f (%) (1) d (mm) d i (mm) 1,8 2,2 2,8 3,6 9 Mín. 1,65 0, Mín. 0, Mín. 2,35 0, Mín. 2,12 0, Mín. 4,53 0, Mín. 2,62 0, ) Fracção queimada para o instante correspondente à resistência global mínima (Moreira, 2007 ) 11

15 Representação de Arrhenius (Moreira, 2007) 12

16 > Carvões comerciais de pinheiro manso e sobro 6 82,2 10 RT kc 1667, 4e > Carvões de pinheiro manso e sobro recarbonizados k 53891,1e c 102, RT Os valores das energias de activação, para carvões de vários tipos de madeira e em várias condições de queima, existentes na literatura situam-se entre 84,9 e 160 kj/mol. (Moreira, 2007) 13

17 Avaliação do efeito da fragmentação primária nos valores de k c. Caso das partículas de carvão comercial de pinheiro manso com valores de k c correspondentes à resistência global mínima U/U mf = 9 U/U mf = 12 T (ºC) k c k c corrigido k c k c corrigido 600 0,025 0,020 0,023 0, ,071 0,059 0,082 0, ,116 0,112 0,176 0,143 A contabilização da fragmentação primária resulta numa diminuição de cerca de 15 % do valor da constante cinética da reacção k c (Moreira, 2007) 14

18 k 8,9exp(-41, / RT ) Carvão de resíduos de cortiça c p k c 6 70,8exp(-53,5 10 / RTp) Carvão de rolhas de cortiça (Beça et al., 2011 ) 15

19 Azinho (Quercus ilex) Pereira (2011) 16

20 > Conclusões A utilização da técnica da combustão em leito fluidizado borbulhante permite a obtenção de dados cinéticos e difusivos em condições de operação próximas das encontradas na realidade operacional. Por outro lado implicações negativas de componentes menores das cinzas no desempenho dos sistemas de queima, são facilmente detectadas à escala laboratorial através de deficiências da fluidodinâmica do reactor em leito fluidizado. A biomassa dada a heterogeneidade de composição e a importância dos componentes das cinzas na operação de combustão apresenta um vasto campo para a realização de estudos de natureza fundamental. 17

21 > Referências Beça, A. (2011), Estudo Prévio da Queima de Carvão de Cortiça em Leito Fluidizado e Recolha de Dados Cinéticos, Dissertação MIEM, FEUP, Janeiro de Beça, A., Rangel, N. e Pinho, C., (2011), Estudo Prévio da Taxa de Queima de Carvão de Cortiça em Lito Fluidizado Borbulhante. A ser apresentado no CIBEM 10, Porto, Portugal. Guedes de Carvalho, J.R.F, Pinto, A.M.F.R. e Pinho, C.M.C.T., (1991), Mass transfer around carbon particles burning in fluidised beds, Trans. Inst. Chem. Engrs., Vol. 69, Part A, p Moreira, N. A. R. (2007), Caracterização da Combustão de Carvões Vegetais em Leito Fluidizado, Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, FEUP, Julho de Mota, O. D. S., Pinto, A.M.F.R. e Campos, J.B.L.M., (1994), Fluidised-bed combustion of a charge of a coke with a wide distribution of particle sizes, Chemical Engineering Science, V. 49, N. 8, p Pereira, C.A.C. (2011), Comunicação pessoal, Viseu Ribeiro, L. e Pinho, C., (2004), Generic Behaviour of Propane Combustion in Fluidized Beds, Chemical Engineering Research and Design, 82(A12), p Van Loo, S. e Koppejan, J. (2008), The Handbook of Biomass Combustion and Cofiring, Earthscan, London 18

22 A FICHA DE INSCRIÇÃO ENCONTRA-SE NO SITE DO CEBIO, COMO FICHEIRO QUE DEVERÁ DESCARREGAR E ENVIAR PREENCHIDO PARA O GERAL@CEBIO.NET. A DATA LIMITE DE ENVIO E PAGAMENTO DA INSCRIÇÃO É 8 DE JUNHO INFORMAÇÕES E INSCRIÇÕES CEBIO - Associação para a Promoção da Bioenergia Campus de Azurém da Universidade do Minho Guimarães PORTUGAL geral@cebio.net Site: CUSTO DE INSCRIÇÃO: 1º dia: 100 (75 para sócios da CEBIO) 50 para estudantes Jantar do Congresso: 30 2º dia: Visitas incluindo almoço: 40 (25 para estudantes) PAGAMENTO: Participantes de Portugal: Nome da Conta: Cebio Associação para a Promoção da Bioenergia NIB: Participantes de Espanha: FEUGA / BBVA Nº cuenta: / 11 / Swift: BBVAESMMXXX IBAN: ES APRESENTAÇÃO A finalidade do II Congresso Ibérico de Biocombustíveis Sólidos é divulgar casos reais de aplicação de biomassa sólida em processos de aproveitamento energético à escala tanto industrial como no sector terciário em Espanha e Portugal. Devido ao crescente interesse, perspectivas de futuro e oportunidades de negócio transfronteiriço que se observam na Região da Galiza e do Norte de Portugal, consideramos de especial relevância o conhecimento da situação atual no âmbito da biomassa energética em ambos os países, assim como o intercâmbio de experiências, conhecimentos, projetos, etc., que permitam potenciar um mercado transnacional que consolide o uso deste tipo de Energias Renováveis. Foi elaborado um programa que inclui desde o aproveitamento da biomassa florestal primária, passando pelas culturas energéticas de curta rotação, os processos de transformação física e conversão energética. Neste programa faz-se especial destaque aos custos de produção, rendimentos obtidos, aspectos ambientais e situação atual dos mercados, tanto a nível industrial como à escala doméstica. Pretende-se assim, dar continuidade a este evento de forma bianual e alternativa em Espanha e Portugal, de forma a que este Congresso sirva de estímulo e ponto de encontro entre ambos os países no âmbito do aproveitamento dos recursos renováveis. Dirigido a: Estudantes universitários, Empresários, Consultores, Professores, Técnicos e Profissionais do sector. 14 e 15 de Junho de 2011 UNIVERSIDADE DO MINHO Escola de Engenharia, Campus de Azurém Guimarães - PORTUGAL HÓTEIS: Hotel Guimarães **** Hotel Fundador *** Villa Hotel **** Hotel Toural **** Hotel Ibis Pousada Santa Marinha***** PATROCINADOR: Organizado por:

23 14 JUNHO 8:00-9:00 Recepção e entrega de documentação 9:00 - SESSÃO DE ABERTURA CONFERENCIA INAUGURAL Dr. Enrique Valero-Presidente Comité de Bosques UE. 1º TEMA: Recursos, Logística Estimativa de custos e tempos de trabalho de recolha de biomassa florestal, Luís Lousada, UTAD Desenvolvimento da Biomassa no contexto da Floresta Portuguesa, José L. Carvalho, Enerforest Aplicação de SIG na caracterização dos recursos de biomassa, Pedro Cabral (ISEGI UNL) 10:40-11:00 COFFEE BREAK 2º Tema: Culturas Energéticas Modelos de Producción de Biomassa, Daniel Vega, Universidade de Vigo Culturas Lenhosas de curta rotação e Produção Energética no Nordeste de Portugal, João Azevedo, Instituto Politécnico de Bragança Cultivos Energético: Producciones e Rendimientos, Raquel Dopazo, ENCE 12:00-12:30 - MESA REDONDA 12:30-13:45 - ALMOÇO 3º TEMA: Tecnologias e Aplicações Secado Natural de Biomassa, Dr. Luiz Ortiz, EIF, Universidade de Vigo Evoluções recentes na Combustão e Co-combustão de Biomassa, Mário Costa, IST Estudos Sobre a Combustão de Carvões Vegetais Portugueses em Leito Fluidizado, Carlos Pinho, FEUP Co-Combustão de Biomassa e Resíduos Combustíveis em FBC, Helena Lopes, LNEG Fusão de cinzas na combustão de pellets José Carlos Teixeira, CEBIO 4º TEMA: APLICAÇÕES COMERCIAIS Importância do biogás para o desenvolvimento sustentável, Madalena Alves, CEBIO Desafios para a produção de bioetanol, José António Teixeira, CEBIO Mercado Pellets en España, J. Alvarez, Ecowarm 16:40-17:00 COFFEE BREAK 5º Tema: QUALIDADE E CERTIFICAÇÃO Qualidade dos biocombustíveis sólidos e sua importância no mercado de calor (CBE) Rumo da eficiência energética de edifícios. Importância e futuro da legislação, ADENE O sistema de certificação de pellets Enplus, Christian Rakos, European Pellet Council 18.00: Sessão de Encerramento Programa de Incentivo Culturas Energéticas, Engº Gonçalo Alves, AFN Autoridade Florestal Nacional Presidente da Escola de Engenharia da Universidade do Minho, Prof. Paulo Pereira, Presidente Câmara Municipal de Guimarães, Dr António Magalhães, Presidente do Conselho Europeu de Pellets, Doutor Christian Rakos Assembleia Geral CEBIO Associação para a Promoção da Bioenergia Jantar 15 JUNHO VISITAS: INSTALAÇÃO FABRICO DE PELLETS (LOUSADA) FÁBRICA DE PRODUÇÃO DE PAPEL (VIANA DO CASTELO) ALMOÇO INCLUÍDO Viagem em autocarro com saída e regresso a Guimarães. ENTIDADES COLABORADORAS: