Efeito da Recirculação dos Gases de Exaustão e Estagiamento de Ar nas Emissões de Gases e Partículas de uma Caldeira Doméstica

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1 Efeito da Recirculação dos Gases de Exaustão e Estagiamento de Ar nas Emissões de Gases e Partículas de uma Caldeira Doméstica Mafalda da Costa Bernardes Figueira Henriques Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Luís Rego da Cunha de Eça Orientador: Professor Mário Manuel Gonçalves da Costa Vogal: Doutor Abel Martins Rodrigues Novembro de 2013

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3 Resumo O presente estudo visa analisar o efeito de dois métodos distintos na redução da emissão de gases e partículas resultantes da combustão da biomassa numa caldeira doméstica alimentada a pellets. Os métodos estudados são a recirculação dos gases de exaustão (RGE) e o estagiamento de ar, os quais foram examinados para duas cargas térmicas da caldeira. A aplicação de RGE traduz-se em melhorias nas emissões de NO x, tendo, no entanto, um efeito pouco significativo nas emissões de CO. A sua aplicação como estratégia de redução da emissão de partículas, em especial, das de menor dimensão, apresenta um carácter promissor, mas requer estudos adicionais. O estagiamento de ar mostrou ser um método muito eficaz na redução das emissões de PM 2,5. Neste caso, todavia, é necessário dar especial atenção às emissões de CO, as quais podem aumentar face à situação em que não é aplicado qualquer estagiamento. Palavras-chave: Biomassa, caldeira doméstica, poluentes, recirculação dos gases de exaustão estagiamento de ar ii

4 Abstract The present study aims to evaluate the effect of two distinct methods in the reduction of the emission of gases and particles from a domestic boiler fired with pellets. The methods studied are flue gas recirculation and air staging. Both methods were examined for two boiler thermal loads. The application of RGE led to improvements in NO x emissions, but its effect on the CO emissions was marginal. This method, however, is promising as a strategy to reduce the emission of particles, in particular, ultra fine particles. This requires, however, further investigation. The air staging proved to be a very effective method to reduce PM 2,5 emissions. In this case, however, it is necessary to give special attention to the CO emissions, which may increase when air staging is applied to the boiler. Keywords: Biomass, domestic boiler, pollutants, flue gas recirculation, air staging iii

5 AGRADECIMENTOS Agradeço ao Professor Doutor Mário Costa, orientador deste estudo, por me ter possibilitado a realização de uma investigação tão importante e ao mesmo tempo porque se insere na área de estudo do meu interesse. O meu mais reconhecido agradecimento por todo o apoio e orientação, e pela experiência que me providenciou ao longo de todas as fases do estudo. Agradeço ao Ulisses Fernandes pela disponibilidade e ajuda que me forneceu durante todo o trabalho, as quais foram imprescindíveis para a realização e compreensão do mesmo. Agradeço ao Jorge Coelho pelo apoio que me prestou na resolução gráfica e de imagens, e ao Manuel Pratas pela ajuda concedida durante a realização dos trabalhos experimentais. Agradeço aos meus colegas de laboratório, Francisco Portela, Tiago Carvalho, Ricardo Maximino, João Pires, João Pina, Bruno Bernardes, Wang Gogliang, António Silva, por toda a camaradagem e bom ambiente que sempre me proporcionaram. Um agradecimento especial à Isabel Ferreiro, pela sua amizade e encorajamento ao longo do curso. Agradeço aos meus amigos, Tiago, Joana, Marta e Diogo, por todas as palavras de ânimo e coragem que me deram durante o decorrer do curso. Agradeço à minha família, em especial aos meus avós e à tia Aldinha, por terem sempre acreditado em mim e pela ajuda prestada em todos os momentos. Agradeço ao Nicola, por me aconselhar, escutar e dar apoio em dias menos bons. Finalmente agradeço ilimitadamente aos meus pais e irmã, por todo o carinho e compreensão que sempre me deram, em especial por sempre terem acreditado em mim e me terem dado força nos momentos que me foram mais difíceis. iv

6 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO Enquadramento Estudos anteriores Objetivos FUNDAMENTOS TEÓRICOS Biomassa como combustível Combustão da biomassa Poluentes gasosos Partículas Processos de formação de partículas e de cinzas Partículas resultantes da combustão incompleta Outros fatores na emissão de partículas Recirculação dos gases de exaustão Estagiamento de ar INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL Caldeira doméstica Modificações realizadas na caldeira de combustão Métodos experimentais APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Características do combustível Condições de operação da caldeira Efeito da recirculação dos gases de exaustão nas emissões gasosas e de partículas Efeito do estagiamento de ar nas emissões gasosas e de partículas FECHO Conclusões Recomendações para trabalhos futuros REFERÊNCIAS v

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Ciclo de carbono da combustão da biomassa Figura 2. Mecanismos de formação de partículas primárias durante a combustão da biomassa em grelha fixa [36] Figura 3. Processo de formação de partículas a partir dos elementos presentes nas cinzas [16].. 22 Figura 4. Representação esquemática do processo de formação da fuligem [19] Figura 5. Representação esquemática da formação de fuligem na chama envolvente do resíduo carbonoso durante a combustão do carvão [36] Figura 6. Esquema simplificado do processo de RGE Figura 7. Esquema simplificado do processo de estagiamento de ar Figura 8. Instalação Experimental Figura 9. Dimensões da caldeira Figura 10. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de RGE Figura 11. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de estagiamento de ar Figura 12. Dispositivo utilizado para estagiamento de ar Figura 13. Esquema da instalação experimental Figura 14. Sonda acoplada com impactor LPI para recolha de gases e de partículas Figura 15. Representação esquemática da sonda responsável pela amostragem de gases e suas dimensões [1] Figura 16. Princípio de funcionamento do LPI [19] Figura 17.Efeito de RGE nas emissões gasosas e de PM para 13 e 17 kw Figura 18. Efeito de RGE nas emissões de PM 2,5 para 13 e 17 kw Figura 19. Efeito do estagiamento de ar nas emissões de gasosas e de partículas para 13 e 17 kw Figura 20. Efeito da aplicação de estagiamento de ar nas emissões de PM 2,5 para 13 e 17 kw vi

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Consumo Anual de energia Global (Gtoe), 2010 [6] Tabela 2. Comparação entre as propriedades físicas e químicas da biomassa e do carvão [22].. 13 Tabela 3. Propriedades dos pellets de acordo com a norma DIN Tabela 4. Características dos analisadores utilizados na medição da concentração das espécies químicas Tabela 5.Propriedades das pellets utilizadas Tabela 6. Condições de operação dos testes com Recirculação dos gases de exaustão Tabela 7. Condições de operação dos testes com estagiamento de ar vii

9 NOMENCLATURA Caracteres Latinos c p T exaustão P Calor específico Temperatura dos gases de exaustão Carga térmica Caudal mássico de pellets Caracteres Gregos Coeficiente de excesso de ar Abreviaturas Razão de equivalência PCS PCI ESP RGE PM LPI DLPI daf Poder Calorífico Superior Poder Calorífico Inferior Precipitador Electroestático Recirculação dos Gases de Exaustão Particulate Matter Low Pressure Impactor Dekati Low Pressure Impactor Dry ash free viii

10 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho enquadra-se na temática das energias renováveis, abordando, em particular, as questões relacionadas com a combustão da biomassa. O trabalho está dividido em cinco partes. O presente capítulo apresenta um enquadramento geral em torno da problemática das emissões resultantes da combustão da biomassa e as suas implicações no ambiente e na saúde pública. É depois apresentado o estado da arte nesta matéria através dos últimos trabalhos publicados. Neste capítulo são ainda definidos os objetivos da presente investigação. O capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos que servem de base à discussão dos presentes resultados enquanto o capítulo 3 descreve a instalação e as técnicas experimentais usadas no decurso do presente estudo. O capítulo 4 é dedicado à análise e interpretação dos resultados obtidos. Finalmente, o capítulo 5 resume as principais conclusões deste estudo e lista algumas sugestões para trabalhos futuros Enquadramento O uso de energia tornou-se, possivelmente, no elemento mais importante para a qualidade de vida humana. A sua importância vem desde os tempos pré-históricos, aquando da descoberta do fogo. Este foi, talvez, o marco mais importante na história de toda a humanidade. O homem, na sua constante mudança, sempre teve a necessidade de evoluir. A maior progressão na história da energia surgiu com a Revolução Industrial. Esta marcou uma viragem na história mundial tanto em termos económicos e de qualidade de vida, como também em termos ambientais, produzindo um grande impacto na natureza. Com a Revolução Industrial descobriu-se um novo combustível que revolucionaria o mundo: o carvão. Com o seu surgimento, construíram-se grandes centrais de produção de vapor para gerar energia por todo o mundo, prevendo-se atualmente que o seu consumo continuará a crescer, embora a uma taxa mais reduzida. O petróleo foi o outro protagonista da revolução industrial, representando um marco na evolução do sector automóvel, sendo até aos dias de hoje o principal combustível usado neste sector, existindo poucos combustíveis alternativos ao seu uso. No entanto, o uso inconsciente dos combustíveis fósseis provocou graves problemas respeitantes não só no referente à sua escassez, mas também nas grandes alterações climáticas que resultam da enorme quantidade de emissões de poluentes derivadas do uso abusivo dos combustíveis fósseis. Devido à carência emergente destes, os preços inflacionaram, tendo a sua utilização vindo a tornar-se, para os países mais pobres, cada vez mais limitativa. 1

11 Como resultado da contínua procura dos combustíveis fósseis, a sua disponibilidade tem vindo a diminuir. Contudo, as emissões causadoras do efeito de estufa apresentam uma evolução contrária, sendo este talvez o problema mais grave que a humanidade enfrenta. Conclui-se que para terminar com o abuso do consumo dos combustíveis fósseis é necessário estabelecer novas medidas que controlem o nível de emissões e que incentivem a redução do seu uso. Em Março de 2007 [1] novas metas foram impostas aos países da União Europeia que visavam a redução das emissões gasosas responsáveis pelo efeito de estufa até 20% dos níveis registados em 1990 até 2020, incentivando também o investimento nas energias renováveis de forma que estas em 2020 contribuam até 20% do consumo de energia primária. As energias renováveis têm, nos dias de hoje, uma importância cada vez mais acrescida. A sua contribuição na redução da dependência dos combustíveis fósseis é notável. Em 2007, 8,5% do consumo final de energia na UE foi devido às energias renováveis [2]. A biomassa conta como sendo 2/3 de toda a fonte renovável de energia na Europa e as tendências atuais confirmam esta posição, sendo esperado um contínuo crescimento neste setor, de forma a atingir as metas da UE [2]. O termo biomassa é referido a todo o material derivado de plantas ou adubo animal. A energia proveniente da biomassa deriva de material de origem florestal ou animal, tais como madeira de florestas, resíduos de agricultura, processos de silvicultura e resíduos animais, humanos e industriais [3]. A biomassa é a quarta fonte de energia mais abundante no mundo e é a fonte de energia renovável dominante [4]. Contudo, muitos resíduos de biomassa não são ainda aproveitados e são deixados nas florestas e campos agrícolas após limpeza destes, sem qualquer aproveitamento. A Tabela 1 mostra o consumo energético anual em 2010, em que o consumo de biomassa mundial foi de aproximadamente 2%. A biomassa é a forma de conversão de energia mais antiga, sendo muito utilizada nos países menos desenvolvidos, em especial em processos caseiros, tais como fogões de cozinha ou lareiras. Nestes países a biomassa é responsável pelo fornecimento de aproximadamente 35% de toda a energia requerida [5]. Também nos países mais desenvolvidos a biomassa é um combustível que se tem revelado competitivo em relação aos combustíveis fósseis. Contudo, faltam ainda dados e estatísticas a longo termo no que diz respeito à biomassa, e a dificuldade de os obter é grande, uma vez que este combustível é geralmente usado para uso individual. Adicionalmente, outros usos não energéticos são dados à biomassa, o que dificulta o fornecimento desta e a avaliação de recursos mais difíceis. 2

12 Tabela 1. Consumo Anual de energia Global (Gtoe), 2010 [6]. Combustíveis fósseis Petróleo 4.03 Carvão 3.56 Gás natural 2.86 Energia nuclear 0.63 Energias renováveis 0.94 Hídrica 0.78 Eólica 0.16 Biomassa 1-2 Energia total consumida A biomassa é, como já foi anteriormente mencionado, muito competitiva em relação aos combustíveis fósseis. Tal facto deve-se a que esta não contribui para o incremento das emissões de CO 2, um dos poluentes responsáveis pelo efeito de estufa, chuvas ácidas e contaminação dos solos. Na verdade, a sua queima representa um ciclo de formação e consumo de CO 2, tal como se mostra na Figura 1. O ciclo de carbono da queima da biomassa tem início quando esta retira da atmosfera o CO 2 que necessita para o seu desenvolvimento, durante o processo de fotossíntese. Durante a sua combustão, como a biomassa tem na constituição quase 50% de carbono, produz grandes quantidades de CO 2 que são libertadas para a atmosfera. No entanto, todo o CO 2 libertado será novamente absorvido pela biomassa que se encontra em crescimento. Assim, todo o CO 2 que é emitido durante a combustão de biomassa é utilizado, sem que ocorra o incremento das emissões de CO 2 libertadas na atmosfera, sendo, assim, o balanço ao carbono neutro. Um outro motivo pelo qual a biomassa se tem tornado cada vez mais relevante é o fato de nunca se esgotar na natureza, isto é, de ser renovável, podendo o seu reabastecimento ser obtido num curto espaço de tempo [7]. Comparativamente aos combustíveis fósseis é também uma fonte de energia muito económica, requere um tecnologia de aplicação simples, podendo por vezes a sua combustão ser realizada em sistemas de queima de carvão [6]. A fácil obtenção da biomassa face aos combustíveis fósseis, assim como as reduzidas emissões de certos poluentes gasosos libertados durante a sua combustão quando comparados com as dos combustíveis fósseis são outros motivos pelos quais a biomassa se tem tornado um combustível cada vez mais procurado. A biomassa tem, contudo, aspetos negativos. Durante a combustão de biomassa emissões gasosas e sólidas são libertadas em quantidades elevadas, sendo muitas vezes difícil a sua 3

13 redução e o seu controlo. As emissões sólidas, em particular, serão alvo de intenso estudo durante esta tese, devido a estas terem um impacto extremamente prejudicial na saúde humana. A matéria particulada (PM), ou simplesmente partículas, consiste em partículas de dimensões muito pequenas suspensas no ar. A sua dimensão está relacionada com o impacto que estas têm nas perturbações causadas, sendo que as de menor dimensão são as que apresentam maiores transtornos na saúde. Tal acontece devido ao facto de algumas partículas apresentarem uma dimensão de tal forma reduzida que se conseguem infiltrar nos alvéolos pulmonares, aumentando o risco do desenvolvimento de doenças. CO 2, H 2 O e luz solar Fotossíntese CO 2 devolvido à atmosfera H 2 O Novas fontes de biomassa Queima da biomassa Figura 1. Ciclo de carbono da combustão da biomassa. Em países cujos sistemas de queima não são controlados, como nos países em vias de desenvolvimento, a concentração de partículas no ar atmosférico é elevada e está fortemente relacionada com o aparecimento de cancro de pulmão, enfarte de miocárdio, asma, bronquites crónicas, entre outras [8]. Segundo a United States Environmental Protection Agency [8], estimase que dezenas de milhares de pessoas morram prematuramente por cada ano, pela exposição a níveis elevados de partículas finas na atmosfera. A preocupação relativa às emissões de partículas não se confina aos países menos desenvolvidos. Nos países do norte da Europa, onde as temperaturas são muito reduzidas, o uso de caldeiras domésticas é uma fonte de aquecimento muito comum. Devido a características particulares deste tipo de sistemas de queima, o seu processo de combustão liberta maiores quantidades de partículas do que as unidades de queima de maiores dimensões. 4

14 Na Finlândia, estima-se que a combustão de madeira residencial é uma das maiores fontes de emissões de pequenas partículas e compostos orgânicos voláteis (VOC) [9] Contudo, não existem métodos que sejam eficazes ou económicos na captura ou redução das emissões de partículas finas. Em sistemas de leito fluidizado existem sistemas de limpeza dos gases de exaustão, sendo as emissões de partículas muito afetadas pela eficiência dos sistemas de filtração de partículas. As tecnologias mais comuns de separação de partículas incluem ciclones, precipitadores electroestático (ESP), filtros manga e purificadores. No entanto, estas técnicas detêm as partículas quando estas já se encontram no escoamento dos gases de escape, e não são eficientes na captura das que possuem menores dimensões, sendo estas libertadas na atmosfera. Por este motivo o estudo das emissões de partículas é também um assunto pertinente quando se trata da combustão em sistemas de leito fluidizado. A biomassa é, portanto, uma forte opositora aos combustíveis fósseis devido às emissões de CO 2 praticamente nulas, à sua abundância elevada e ao facto de não se esgotar. Contudo apresenta aspetos negativos, como a sua baixa densidade energética e poluentes extremamente prejudiciais à saúde humana. De modo a reduzir as emissões de partículas é necessário agir sobre o processo de combustão, uma vez que os processos de captura pós-combustão destas não são eficazes na recolha das menores partículas. Alguns autores estudaram os efeitos de métodos pós-combustão (catalisadores) na diminuição das menores partículas em pequenas instalações, no entanto, estes não apresentaram efeitos notórios na diminuição destes poluentes [10]. Entendeu-se, portanto, que é necessário incidir sobre o processo de combustão de forma a afetar os processos de formação de partículas, e assim favorecer a redução ou abate destas, diminuindo desta forma o número de partículas pequenas, difíceis de captar através dos métodos convencionais. No presente estudo utilisaram-se como métodos de alteração ao processo de combustão a Recirculação dos Gases de Exaustão (RGE) e o estagiamento de ar. O RGE consiste no reenvio de uma fracção dos produtos do processo de combustão para o interior da câmara de combustão, enquando o estagiamento de ar consiste na introdução do ar de combustão em duas etapas, criando uma zona pobre em ar junto ao queimador (zona primária de combustão) e uma zona rica em ar acima do queimador (zona secundária de combustão). Estes métodos são já muito utilizados na redução de emissões de NO x, no entanto, eles não foram ainda suficientemente estudados relativamente ao seu efeito nas emissões de partículas. O presente trabalho de investigação foca-se, assim, no estudo da influência destes processos nas principais emissões resultantes da combustão da biomassa, testando a sua eficácia na diminuição dos poluentes libertados. Para tal uma introdução prévia dos fenómenos presentes no processo de 5

15 combustão da biomassa serão adiante apresentados. Justifica-se igualmente o estudo mais aprofundado dos poluentes e dos seus processos de formação que resultam da combustão da biomassa. Os métodos aplicados para a modificação do processo de combustão, tal como os processos físicos subjacentes e os seus efeitos nas emissões gasosas, serão descritos mais à frente nos capítulos subsequentes Estudos anteriores Os estudos realizados no respeitante à redução de partículas emitidas durante a combustão de biomassa em pequenas aplicações são bastante limitados. A investigação referente às emissões de partículas e sua redução envolvendo modificações diretamente no processo de combustão é ainda mais escassa. Apesar de a bibliografia ser muito limitada apresentam-se os esforços mais recentes que têm sido realizados no estudo de novos métodos de redução de partículas, bem como outros trabalhos de investigação realizados cuja informação se mostrou muito relevante no decorrer deste estudo. Os estudos apresentados são apenas referentes à aplicação de estagiamento de ar em pequenas instalações como estratégia de redução das emissões de partículas, não tendo sido encontrados trabalhos anteriores cujo estudo incidisse sobre a aplicação de RGE. Zandeckis et al. [11] realizaram um estudo que incidiu sobre a influência do estagiamento de ar na otimização do processo de combustão, avaliando as emissões gasosas e as cinzas de fundo. Os autores indicaram que para que a aplicação deste método seja eficaz é necessário que a razão (mássica) se encontre nas proporções corretas, que o local de incidência dos jatos de ar secundário na chama seja o apropriado e que a orientação dos jatos de ar secundário seja a adequada. Os autores constataram que a aplicação de estagiamento reduz as emissões gasosas e de cinzas e concluíram, então, que o estagiamento de ar pode ter grandes benefícios na redução de emissões, mas que se for mal implementado pode também ter o efeito contrário. Fernandes e Costa [12] estudaram as emissões de partículas resultantes da queima de pellets de pinho numa caldeira doméstica com o objetivo de quantificar e caracterizar morfológica e quimicamente as mesmas. Os autores verificaram que o valor máximo de emissões de CO coincide com o valor máximo de emissões de partículas, apresentando evoluções semelhantes, concluindo que as emissões de CO são um bom indicador da eficiência da caldeira. As partículas foram diferenciadas em ultra finas (<100 nm), aglomerados de partículas da ordem dos submícrons e mícrons e partículas maiores isoladas, cuja forma é esférica ou irregular. Uma análise química detalhada às menores partículas revelou que estas são constituídas maioritariamente por O, K, Cl, Na e S, sendo que são possivelmente formadas devido à condensação de metais alcalinos sobre partículas de fuligem, contribuindo para as partículas de dimensões inferiores a 100nm. As partículas de dimensão da ordem dos submícrons e mícrons 6

16 são constituídas por elementos de C, O, Ca, Mg, K e P, sendo compostas essencialmente por fuligem. Finalmente, as partículas de dimensões superiores a 10 µm são constituídas essencialmente por carbono e oxigénio. Lamberg et al. [13] analisaram os efeitos do estagiamento de ar e carga térmica nas emissões de gases e de partículas finas de numa pequena caldeira alimentada a pellets. Realizaram-se testes em que se reduziram três parâmetros diferentes: carga térmica parcial, ar primário e ar secundário. Concluíram que as emissões de CO e de partículas diminuem com o aumento da carga parcial, sendo o de CO mais notório. A redução do ar primário teve como consequência a redução das emissões de CO e da temperatura na zona de combustão primária, reduzindo a libertação de metais alcalinos do combustível. A redução de ar secundário tem um efeito negativo nas emissões de partículas, na vaporização de metais alcalinos e na formação de produtos originados a partir da combustão incompleta do combustível. Foi também concluído que uma boa mistura entre o ar secundário na câmara e os produtos de combustão da zona primária tem um grande impacto na diminuição das emissões. Becidan et al. [2] observaram o comportamento das cinzas durante a combustão de pellets de biomassa com estagiamento e sem estagiamento de ar, num reator experimental. O estudo foi realizado para três pellets diferentes (madeira, madeira demolida e resíduos de café) e para seis pellets cuja composição é uma mistura entres as anteriores. Um efeito do estagiamento de ar foi a ocorrência de uma maior retenção de K, contrariamente ao que acontece com Na, nas cinzas de fundo no caso das pellets sem mistura. As emissões das pellets de mistura não revelaram qualquer alteração face ao estagiamento de ar, o que sugere que ao misturar os combustíveis, estes interagem entre si, e estas interações têm efeitos químicos não lineares. Concluíram que a mistura de diferentes combustíveis pode ser um método eficiente para afetar o processo químico dos elementos constituintes dos combustíveis, e que o estagiamento, afetando a formação de partículas, tem um caráter promissor no que concerne a redução de problemas associados com as emissões das mesmas. Wiinikka e Gebart. [14] testaram o efeito da distribuição do ar nas emissões de partículas na combustão de pellets de madeira e de casa de árvore num reator experimental de 10 kw. Foram estudadas três condições diferentes de fornecimento de ar. Primeiramente o ar de combustão foi fornecido diretamente na grelha, tendo sido depois dividido igualmente entre a grelha e acima desta e por último, estudou-se a situação em que todo o ar foi injetado acima da grelha. Os resultados mostraram que as emissões de partículas grosseiras são menores no caso em que o ar é dividido igualmente entre a grelha e acima desta, sucedendo o contrário na situação em que o ar se encontra dividido. As emissões de partículas finas diminuem com a diminuição de ar primário, tendo sido verificado que as menores emissões ocorreram para a situação em que todo o ar é injetado acima da grelha. 7

17 Fernandes e Costa [15] estudaram o processo de formação de partículas numa caldeira doméstica alimentada a pellets de pinho. A câmara de combustão sofreu alterações, de modo a permitir a introdução horizontal de sondas no seu interior, ao longo do seu eixo vertical, tendo sido, assim, todas as medições realizadas no interior da câmara. Para tal foram feitos 5 orifícios, a que se deu o nome de portas, em cada uma das posições laterais da caldeira. As concentrações máximas de CO e CO 2 encontram-se nas regiões mais próximas da chama, e a sua concentração reduz-se com o aumento da distância vertical em relação ao queimador, indicando que ocorreu um melhoramento do processo de combustão. A quantidade máxima de fuligem formada situa-se na porta 1, indicando que esta se forma no início da combustão, e tende a ser oxidada entre a porta 1 e 2 devido às temperaturas elevadas e à concentração de O 2 alta. Nesse estudo foram recolhidas amostras de partículas na porta 3, verificando-se que os vapores inorgânicos coexistiam com a fuligem. Os autores apontam para a importância de se projetar um sistema de queima que favoreça tanto a oxidação da fuligem quando as temperaturas são elevadas, como a inibição da vaporização de metais alcalinos, em que temperaturas mais baixas devem ser aplicadas Objetivos A emissão de partículas de pequenas dimensões durante a combustão da biomassa pode tornarse um problema de saúde pública, e por isso, é importante a sua diminuição. Contudo, os métodos atuais de redução de emissões pós combustão não permitem a captura das menores partículas. Por este motivo, é importante o estudo de novos métodos de diminuição das emissões de partículas. A aplicação de métodos que incidam directamente sobre o processo de combustão poderá apresentar vantagens respeitantes à diminuição destes poluentes. A realização desta dissertação tem, assim, como objetivo o estudo da influência que a aplicação dos métodos de RGE e estagiamento de ar tem nas emissões de emissões de gases e de partículas em sistemas domésticos de queima. Os testes foram realizados numa caldeira doméstica alimentada a pellets, cuja potência máxima é de 22 kw. Para cada teste foram medidas as emissões de gases e partículas. As partículas foram recolhidas num filtro que permite a sua diferenciação de acordo com o seu diâmetro aerodinâmico. A influência da aplicação de cada método nas emissões de gases e partículas foi analisada para as cargas térmicas de 13 kw (2,6 kg/h) e de 17 kw (3,4 kg/h). 8

18 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Biomassa como combustível As propriedades da biomassa variam muito, dependendo da sua origem e do pré-tratamento a que esta foi sujeita. Contudo, apesar da sua enorme disponibilidade na natureza, o seu nível de utilização é relativamente reduzido, uma vez que a biomassa apresenta outros fins para além da utilização energética. A biomassa tanto se pode encontrar no seu estado natural, tal como é encontrada na natureza, como pode estar disponível enquanto produto processado, fabricado a partir da madeira, palha e outros resíduos agrícolas (como é o caso dos pellets, briquetes, combustíveis pulverizados, entre outros). O conhecimento das propriedades da biomassa é de extrema importância para ser possível a seleção de um equipamento de combustão adequado às suas características. Um combustível que apresente uma elevada heterogeneidade e uma baixa qualidade deve ser utilizado num sistema de combustão mais sofisticado [16]. Os combustíveis fósseis sólidos convencionais são classificados através de uma grande variedade de testes, tendo em conta as suas diversas propriedades. Comercialmente, o valor de um combustível é determinado pelo seu poder calorífico, quantidade de matéria volátil e conteúdo de cinzas. A biomassa, sendo também um combustível que se encontra no estado sólido é igualmente caracterizada pelos mesmos padrões que os outros combustíveis fosseis. Outros critérios que determinam a facilidade ou o modo de transporte e a facilidade ou a eficiência do processo para seu uso final são também considerados, assim como fatores ambientais (conteúdo de S, N). O processo de utilização térmica (fornecimento do biocombustível, sistema de combustão e emissões gasosas e sólidas) de todos os biocombustíveis sólidos depende muito das suas características físicas (tamanho das partículas, densidade, humidade, PCI) e da sua composição química. A composição da biomassa funciona como um código fundamental que carateriza e determina as propriedades, a qualidade, o potencial de aplicação e problemas ambientais relacionados com o combustível. Assim, análises físicas, químicas, minerais e geoquímicas são realizadas para a caracterização dos combustíveis sólidos. As mais relevantes do ponto de vista da combustão de combustíveis sólidos são a análise imediata, a análise elementar e o poder calorífico. 9

19 A análise imediata determina a humidade, o conteúdo de cinzas e de matéria volátil presentes na biomassa, e o carbono fixo [17]. A análise elementar fornece percentagens precisas do teor de C, S, H, N, Cl e O. As características físicas e químicas mais relevantes para a classificação da biomassa são apresentadas. Teor de humidade O teor de humidade na biomassa varia muito, podendo os seus valores estar situados numa gama entre 10-70%. A madeira recém-cortada apresenta cerca de 50% de humidade, e mesmo após a sua secagem ao ar livre, esta continua a ter entre 15-20% de humidade [6]. A humidade presente na biomassa tem uma grande influência no processo de combustão, devido à sua influência no poder calorífico do combustível [18] e no volume dos gases de exaustão produzidos por unidade de energia, sendo por isso uma fator a ter em atenção. Um combustível que apresente elevados teores de humidade necessita também de maiores tempos de residência antes da fase de pirólise e da combustão do resíduo carbonoso, para que ocorra toda a sua evaporação. Adicionalmente um maior teor de humidade requere um maior uso de combustível, gerando maiores quantidades de gases de combustão e necessitando também de equipamentos de maiores dimensões [17]. O poder calorífico do combustível diminui com o aumento do teor de humidade. Para os biocombustíveis, em que o teor de humidade é elevado, podem ocorrer problemas durante a sua queima, como dificuldade na ignição e redução da temperatura de combustão, o que dificulta o desenvolvimento da combustão, afetando a qualidade da mesma. Teor de matéria volátil A matéria volátil resulta essencialmente de combinações entre carbono e hidrogénio e contribui em cerca de 70% para o calor libertado durante a combustão da biomassa, ao contrário do que acontece durante a combustão do carvão, em que apenas 36% da sua constituição é matéria volátil. Consequentemente a combustão de voláteis é o processo dominante durante a combustão de biomassa, sendo que a combustão do resíduo carbono tem uma importância menos acrescida [6]. O valor típico de biomassa volatilizada é aproximadamente de 75% da sua massa. Os voláteis são constituídos por espécies gasosas (HC, CO, CO 2, H), humidade e alcatrões. Devido à elevada quantidade de voláteis presentes na biomassa, a sua ignição é facilitada, mesmo a temperaturas mais baixas, no entanto ocorre a taxas de combustão elevadas e pode torna-se difícil de controlar. O resultado desta rápida libertação de voláteis é a necessidade de temperaturas elevadas de forma que ocorra a combustão completa dos elementos vaporizados, implicando que os princípios de operação e de projeto da combustão do carvão não são os mais adequados para a queima da biomassa. 10

20 Teor de cinzas As cinzas são a fração inorgânica não combustível que permanece após a combustão completa do combustível. A libertação dos compostos inorgânicos da biomassa é influenciada tanto pela sua volatilidade como pelas reações dos compostos orgânicos do combustível. O material que é volatilizado às temperaturas de combustão inclui os metais alcalinos, como o potássio e o sódio e outros elementos como o Cl e S. Outros materiais não voláteis podem ser libertados durante a pirólise por transporte convectivo. O material inorgânico das cinzas pode ser divido no material que é inerente ao combustível, e aquele que é adicionado ao combustível a partir de processos de tratamento e recolha da biomassa [19]. O material inerente à biomassa é composto essencialmente por elementos tais como Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, Na, K, S e P, O teor de cinzas varia desde <1% para o caso da madeira, até 18-25%, como é o caso da casca de arroz. Na biomassa, o teor de cinzas é, em geral, inferior ao do carvão. Carbono fixo O carbono fixo é a fração residual de biomassa, quando descontados os teores de humidade, de cinzas e de matéria volátil. Após a combustão dos voláteis permanece no queimador uma estrutura de forma esférica constituída por carbono fixo e cinzas. Devido ao elevado teor de voláteis presentes na biomassa, o carbono fixo representa uma fração pequena quando comparado com o teor existente no carvão. No entanto, a sua importância no processo de combustão é igualmente elevada. Análise Elementar Os elementos presentes na biomassa variam muito, dependendo da origem e tipo de biomassa. Os principais constituintes da biomassa são o carbono (C), o hidrogénio (H) e o oxigénio (O). Estes elementos formam arranjos complexos de celulose, hemicelulose e lenhina [18]. No entanto, a biomassa apresenta na sua composição outros elementos tais como minerais, lípidos, proteínas, amido, açúcares e água. A quantidade destes compostos presentes nas plantas, depende do seu estado de desenvolvimento e do tipo de tecido ou estrutura (folhas, caules, flores, entre outros), variando de espécie para espécie [18]. C e H são oxidados durante a combustão através de reações exotérmicas, formando CO 2 e H 2 O, contribuindo ambos positivamente para o PCS, enquanto o oxigénio contribui negativamente [20]. Devido aos hidrocarbonetos presentes na sua estrutura, a biomassa é muito oxigenada se comparada com os combustíveis fósseis [18].O fato de na biomassa existir carbono em formas parcialmente oxidadas, contribui para baixar o seu PCS [21]. O principal componente da biomassa é o carbono, correspondendo a aproximadamente 30-60% da matéria em base seca, dependendo do seu conteúdo de cinzas. Em média, 30% a 40% da 11

21 composição química em base seca da biomassa é oxigénio, e é o segundo elemento dominante na composição da biomassa. Devido a esta alta concentração, parte do oxigénio necessário para a reação de combustão é fornecido pelo oxigénio que é libertado durante a decomposição térmica da biomassa, sendo o resto provido pela injeção de ar [16]. O terceiro elemento com maior concentração é o hidrogénio (H), correspondendo a cerca de 5% a 6% de matéria em base seca [18], tendo uma influência considerável no PCI devido à sua transformação em água. A biomassa é igualmente constituída por azoto (N), enxofre (S) e cloro (Cl), sendo os seus teores geralmente inferiores a 1% em base seca [18]. Segundo Obernberger [20], a madeira sem casca de árvore possui o menor teor de N, tendo a casca de árvore, a palha, o miscanthus e os resíduos de fruta teores elevados deste elemento. Poder Calorífico O poder calorífico pode ser definido como superior (PCS) ou inferior (PCI). O PCS é o conteúdo energético total libertado quando o combustível é queimado, incluindo o calor latente contido no vapor de água. Por outro lado, o PCI corresponde à energia total libertada subtraída da energia necessária para evaporar a humidade presente no combustível. O PCI da biomassa é bastante inferior ao do carvão devido ao elevado teor de humidade presente na sua composição. Densidade A densidade é uma das propriedades físicas de maior importância, devido a razões económicas e tecnológicas. A generalidade dos biocombustíveis apresenta baixas densidades, em especial os de origem agrícola, como a palha ( Kg/m 3 ) ou a casca de arroz (122 kg/m 3 ). Estes valores quando comparados com o carvão são extremamente baixos, como se pode verificar observando a Tabela 2. São várias as desvantagens relacionadas com a baixa densidade dos combustíveis, tais como um PCI baixo, o difícil controlo de alimentação de combustível, a necessidade de um espaço maior para armazenamento, os elevados custos de transporte, e as limitações de tecnologias de queima. O valor de densidade energética, relacionado com a densidade do combustível e o PCS influenciam a sua necessidade de armazenamento e o controlo do sistema de fornecimento de combustível ao sistema de queima. Na forma como se encontra na natureza, a biomassa apresenta, em geral, características não representativas de um bom combustível, como por exemplo: Baixo poder calorífico; Problemas económicos associados ao transporte e distribuição; Elevada humidade que pode dificultar muito a sua combustão; Dificuldade em controlar a taxa de combustão; Elevada área necessária para armazenamento. 12

22 Tabela 2. Comparação entre as propriedades físicas e químicas da biomassa e do carvão [22]. Propriedade Biomassa Carvão Densidade (kg/m3) ~ 500 ~ 1300 Tamanho da partícula (mm) ~ 3 ~ 100 x 10-6 Carbono Oxigénio Enxofre Máx SiO K 2 O Al 2 O Fe 2 O Temperatura de ignição (K) PCI (MJ/kg) Muitos destes inconvenientes devem-se à baixa densidade da biomassa, sendo necessário o tratamento desta de forma a aumentar a sua densidade. Surgem, assim, as técnicas de densificação de biomassa, que visam o aperfeiçoamento das suas propriedades de queima, transporte e armazenamento. A biomassa densificada apresenta várias vantagens, das quais se destacam [23], [1] as enunciadas seguidamente: Baixo teor de humidade, o que facilita a sua combustão; Facilidade de armazenamento; Facilidade de transporte; Maior densidade energética; Hipótese de combustão espontânea da biomassa armazenada é reduzida; Combustão uniforme; Menor emissão de partículas; Maior durabilidade, devido a um teor de humidade menor, o que proporciona uma menor degradação; Elevado rendimento térmico. Na densificação de biomassa as duas técnicas mais utilizadas são a produção de pellets e a de briquetes, sendo a primeira mais usada nos países desenvolvidos, utilizando-se em equipamentos de alimentação automática, enquanto a segunda técnica é mais comum nos países em vias de desenvolvimento [24]. 13

23 O uso de pellets tem-se tornado muito popular, em alguns países europeus, tais como a Suécia, Dinamarca, Bélgica, Alemanha, Áustria, Finlândia e Itália [25]. Em alguns destes países já estão em vigor normas que regulamentam os critérios de qualidade a exigir ao combustível, pois a utilização deste em sistemas domésticos automáticos requer elevados padrões de qualidade [24]. No entanto, a combustão da biomassa, incluindo a de pellets, particularmente em pequenas aplicações, apresenta graves problemas no tocante às emissões de poluentes. Estas são agravadas devido à combustão incompleta da biomassa. Os poluentes são libertados na atmosfera, e entre os mais graves encontram-se as partículas de pequenas dimensões compostas por cinzas volantes e material não oxidado Combustão da biomassa O processo de combustão da biomassa envolve vários aspetos físicos e químicos de extrema complexidade, e que dependem das propriedades do combustível e da aplicação da combustão. A combustão, quando desejada, é muito vantajosa em aplicações domésticas, tanto a nível de conforto como também a nível de processos culinários. Os produtos resultantes podem ser usados diretamente para aquecimento se a combustão tiver lugar em pequenas unidades, para aquecimento de águas ou geração de eletricidade. As várias fases são a ignição, a secagem da biomassa, a pirólise, a combustão da matéria volátil e a oxidação do resíduo carbonoso (o que sobra depois de oxidada toda a matéria volátil). O processo de combustão pode ser contínuo, sendo esta referente a unidades de combustão médias a grandes ou intermitente, quando relacionada com pequenas unidades de combustão. A adição de ar pode ser intermitente, geralmente quando usada com pequenas unidades de combustão, ou contínua, para maiores unidades de combustão [16]. i) Biomassa secagem biomassa seca ii) Pirólise iii) Voláteis + ar voláteis + resíduo carbonoso CO + CO2 (+ PAH + HC + fuligem + PM) iv) Resíduo carbonoso + ar CO + CO2 A combustão da biomassa inicia-se com a fase de ignição. A ignição tem lugar num instante de tempo t ig, para o qual a partícula de biomassa tem uma massa inicial m 0. Os passos seguintes são a secagem e a pirólise. A sua importância varia dependendo da tecnologia implementada, das propriedades do combustível e das condições do processo de combustão [16]. Após a ignição a superfície da partícula sofre um aumento de temperatura e à medida que a temperatura no interior da câmara de combustão aumenta, a superfície externa da partícula recebe calor por convecção [1]. O interior da partícula recebe calor por condução, a partir da superfície externa que se encontra a uma temperatura superior. O processo de secagem ocorre 14

24 para temperaturas inferiores a 473 K. Nesta fase ocorre a libertação do vapor de água do combustível para o exterior. A reação de combustão é exotérmica, isto é, liberta calor, ao contrário da evaporação da água, que é endotérmica. Sucede, então, que o processo de secagem requere a energia libertada pela combustão da biomassa, reduzindo a temperatura no interior da câmara de combustão. Como a taxa de reação depende fortemente da temperatura de combustão, a redução da última afeta o processo de combustão, tornando-o mais lento. Verificou-se que se o conteúdo de humidade for superior a 60% em base húmida, o processo de combustão não consegue ser mantido, pois a energia requerida para evaporar toda água presente no combustível é demasiado elevada [16]. Depois da secagem da biomassa segue-se a fase da pirólise em que ocorre a libertação da matéria volátil presente no combustível, sem que ocorra a sua oxidação, uma vez que o oxigénio não se consegue difundir com os voláteis, devido à rápida libertação destes. Mais tarde, quando a mistura dos voláteis com o oxigénio é possível ocorre a oxidação, na presença do oxigénio que se encontra na periferia [1], apresentando-se a chama visível. As temperaturas típicas desta fase situam-se entre 533 e 775 K, e a reação é fortemente exotérmica. Esta etapa da combustão da biomassa é muito relevante, visto que uma grande parte da biomassa é convertida em matéria volátil (pode atingir 80%) [6]. Nesta fase ocorre um grande decréscimo na massa da partícula de combustível, pois como esta apresenta um teor muito elevado de voláteis, estes ao serem oxidados contribuem para uma grande perda de massa. Esta fase é de extrema importância no processo de formação de partículas, pois é durante a combustão de voláteis que se forma a fuligem, libertando-se também CO, CH 4 e CO 2. Durante a fase de combustão dos voláteis, cria-se uma frente de chama que rodeia a partícula de combustível, e pouco oxigénio consegue penetrar na chama em direção à mesma. Após a extinção da chama resultante da combustão dos voláteis, o oxigénio consegue penetrar na superfície da partícula e inicia-se a combustão do resíduo carbonoso resultante do processo de volatilização. Nesta fase importantes reações de transformação da matéria inorgânica em cinzas ocorrem [1]. Este processo ocorre para temperaturas a partir de 775 K e envolve reações heterogéneas, sendo que as espécies químicas envolventes estão presentes tanto no estado solido como no estado liquido (reações gás-solido). O resíduo carbonoso tem na sua composição essencialmente carbono e cinzas com pequenas quantidades de hidrogénio, azoto, oxigénio e enxofre [26]. A sua forma é esférica e pode apresentar fissuras ou cavidades consequentes da libertação dos gases no decorrer do processo de volatilização. Internamente é muito poroso, sendo a estrutura dos poros e o tamanho do resíduo dependentes do tipo de combustível, da dimensão das partículas e das condições de ocorrência da volatilização. 15

25 2.3. Poluentes gasosos Os poluentes emitidos durante o processo de combustão podem ser classificados em dois grupos principais: os que são originados devido à combustão incompleta do combustível e aqueles que são formados devido às propriedades físicas e químicas do combustível. Os primeiros são influenciados pelo equipamento usado e pelas condições decorridas durante o processo de combustão, enquanto os segundos são função das propriedades intrínsecas ao combustível. As condições necessárias para que ocorra a combustão completa são: Fornecimento de ar para que ocorra a total oxidação do combustível; Temperatura elevada para que as reações possam ser processadas; Tempo de residência longo o suficiente a temperaturas elevadas; Turbulência que favoreça a mistura entre o combustível e o ar. No entanto, durante as aplicações do processo de combustão, estas condições não são possíveis de ser atingidas na sua plenitude e em simultâneo [27]. O resultado é a combustão incompleta, dando origem a produtos parcialmente oxidados. A combustão incompleta origina CO, HC, alcatrões, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, entre outros, que são formados durante o processo de volatilização. A composição e a quantidade destas emissões são determinadas pela temperatura, quantidade de oxigénio e composição do combustível. Durante a oxidação completa da biomassa, origina-se sempre CO 2, H 2 O e NO x. No último incluemse os poluentes NO e NO 2, sendo que o primeiro se forma em maior quantidade. A formação de CO 2 deve-se à oxidação do carbono presente no combustível e é o principal produto de combustão de todos os combustíveis de biomassa. O dióxido de carbono é responsável pelas emissões causadoras do efeito de estufa. No entanto, quando se trata da combustão da biomassa considera-se que as suas emissões são neutras. A formação de NO é devida à oxidação do azoto molecular presente no ar de combustão, podendo também ser devida à oxidação do azoto presente no combustível (mecanismo do combustível) se na composição deste existir azoto. A formação de NO devido à presença de azoto no combustível é o principal mecanismo de geração de NO na combustão da biomassa. Na queima dos combustíveis fósseis o mecanismo de combustível é responsável por 75%-80% das emissões totais de NO, sendo o resto atribuído ao mecanismo térmico [28]. Na combustão da biomassa este valor é ainda mais elevado, pois as temperaturas no interior da câmara são bastante inferiores àquelas que se atingem na combustão do carvão. A formação de NO via mecanismo do combustível ocorre devido à libertação dos radicais HCN, presentes nos voláteis, que originam radicais NH i (i = 0,1, 2, 3), que vão reagir com as moléculas de O 2 e de NO formando NO e N 2, respetivamente [26]. 16

26 N presente no combustível HCN NHi NO O2 N2 NO Este processo de formação de NO é fortemente dependente da fração mássica de azoto no combustível e da concentração de O 2 local, sendo a influência da temperatura muito pouco significativa. Os processos de formação de NO a partir do azoto presente no ar de combustão são três e encontram-se descritos seguidamente. Mecanismo térmico Este mecanismo é dominante a altas temperaturas (acima de 1800 K) numa vasta gama de razões de equivalência. O azoto no ar de combustão reage com os radicais O, formando NO a altas temperaturas. A quantidade de NO formada aumenta com o aumento da temperatura, com a concentração de O 2 e com o tempo de residência [16]. Mecanismo imediato O azoto proveniente do ar de combustão reage com hidrocarbonetos formando HCN e CN que depois são oxidadas formando NO. Este mecanismo é apenas importante em zonas de condições ricas e é muito dependente da concentração local de hidrocarbonetos. Este mecanismo tem pouca expressão na combustão da biomassa, em contraste com o que sucede durante a combustão do carvão. Mecanismo com óxido nitroso como intermédio Este mecanismo de formação de NO x é importante em chamas pobres de pré mistura ( <0,8), caraterizadas por baixas temperaturas. As reações que regem este mecanismo estão descritas seguidamente: NO 2 + N 2 + M N 2 O + M H + N 2 O NO + N 2 O NO + NH NO + NO Para além das emissões de NO x que têm uma forte dependência da composição da biomassa, outros poluentes gasosos podem ser formados devido aos elementos presentes no combustível, tais como SO 2, metais pesados e HCl. Durante a combustão, todo o enxofre presente no combustível reage com o O 2, formando SO 2 e uma pequena parcela de SO 3. No entanto, na 17

27 maioria dos casos, estas emissões podem ser desprezadas devido ao baixo teor de S presente na biomassa. O processo de formação dos poluentes CO é muito semelhante ao processo de formação de HC e segue os mesmos princípios. Durante a fase da gaseificação os hidrocarbonetos são volatilizados, misturam-se com o ar e são oxidados numa chama. A combustão incompleta destes pode ocorrer em zonas muito ricas ou muito pobres da chama de difusão criada durante a combustão dos compostos voláteis. Nas zonas muito ricas a combustão incompleta é devida à fraca mistura entre os fragmentos de combustível e o ar que alimenta a chama, diminuindo o tempo de residência destes na câmara de combustão, impossibilitando a combustão completa [26]. Nas zonas muito pobres pode também ocorrer a queima incompleta, devido a à combustão muito lenta causada pela concentração de oxidante muito elevada, o que reduz a temperatura de combustão. Deste modo, a oxidação do combustível é somente parcial, tendo como consequência a formação de produtos não oxidados [26]. As emissões de CO são especialmente importantes no arranque e paragem das caldeiras, como foi verificado por Buddeker [25], tendo sido já desenvolvidos sistemas de aquecimento de pellets combinados com aquecimento solar, com o intuito de reduzir a operação intermitente do funcionamento da caldeira [29]. No entanto, é importante ressaltar que para a caldeira em estudo as emissões de CO foram sempre significativas, mesmo quando trabalhava em regime estacionário Partículas Nas secções anteriores foram discutidos os poluentes gasosos emitidos durante a combustão completa e incompleta da biomassa. No entanto, outros poluentes não gasosos resultam do processo de queima. As partículas são um poluente que deriva da vaporização e posterior condensação da matéria inorgânica presente nas cinzas, e também da combustão incompleta do combustível (fuligem). Estas representam uma fração muito elevada das emissões resultantes durante a queima da biomassa. Estes poluentes afetam não só a saúde humana, como também os próprios sistemas de queima, criando depósitos e aglomerações no equipamento que podem levar à ruina deste e à subsequente deterioração do processo de combustão. O seu processo de formação é complexo, e depende de fatores inerentes ao combustível mas também de fatores externos e é ainda alvo de muita pesquisa. Quando comparada com os combustíveis fósseis, a biomassa apresenta grandes diferenças nas suas propriedades, que produzem impacto na formação de partículas durante a sua combustão. Uma destas diferenças já foi enunciada previamente e reside no facto de a biomassa ter um teor de matéria volátil muito elevado, tendo por outro lado um baixo teor de resíduo carbonoso. 18

28 Outra diferença importante está no baixo poder calorífico da biomassa, se comparada com os combustíveis fósseis. O poder calorífico da madeira é aproximadamente de 20 MJ/kg enquanto o do carvão é de 30 MJ/kg, tendo como consequência que a temperatura de combustão da biomassa seja inferior à dos combustíveis fósseis. Finalmente, as cinzas de biomassa possuem um elevado teor de matéria volátil, em especial de potássio, sendo que uma grande fração desta vaporiza durante a combustão e forma partículas pequenas [30]. No entanto, a formação de partículas provenientes da combustão do carvão foi já alvo de intenso estudo, [31], [32], [33], [34], havendo muitas semelhanças entre o processo de formação de partículas durante a sua combustão e a de combustíveis sólidos de biomassa. Assim sendo, é possível utilizar os fundamentos teóricos relativos à formação de partículas do carvão, no estudo das partículas geradas durante a queima da biomassa. A concentração de partículas depende da sua composição química e da eficiência da combustão, sendo por isso importante estudar os processos de formação de partículas derivadas da combustão completa e incompleta e os principais parâmetros de que elas dependem Processos de formação de partículas e de cinzas As partículas emitidas durante o processo de combustão que possuam um diâmetro aerodinâmico inferior a 1 m são designadas aerossóis. Durante a sua formação estas partículas de sofrem processos internos que podem causar tanto o aumento do seu tamanho, como também podem promover a fragmentação de partículas maiores. Estes fenómenos são complexos e dependem de fatores externos, tais como a temperatura e pressão. O presente tópico debruça-se sobre os principais mecanismos que participam no processo de desenvolvimento das emissões de partículas. A nucleação de aerossóis consiste na formação de novas partículas diretamente da fase gasosa, originando novos núcleos destas. Este processo altera tanto o número de aerossóis, como a concentração mássica destes. Este fenómeno é espontâneo e aleatório, e ocorre quando o meio se torna sobreaquecido ou subarrefecido. Os mecanismos que levam ao crescimento dos aerossóis envolvem a condensação heterogénea de vapores, coagulação, aglomeração e reações superficiais [30]. Durante a coagulação a partícula aumenta de dimensão devido à adesão ou colisão entre partículas, ocorrendo a diminuição do seu número, sem alterar o volume ou massa total. A coagulação de partículas é favorecida pelo aumento da temperatura de combustão e pode ser devida ao movimento relativo entre elas, ou a forças externas, como a gravidade ou forças elétricas. A condensação é um fenómeno no qual vapores se condensam sobre partículas já existentes, aumentando a dimensão destas sem formação de novos núcleos. O crescimento de partículas a 19

29 partir da condensação heterogénea depende do tamanho delas, mas também da razão de saturação, tendo lugar quando a concentração de partículas é elevada. As partículas podem também sofrer mecanismos de redução de tamanho, sendo o mais comum a sua fragmentação, processo que dá origem a muitas partículas pequenas. Fenómenos de eliminação de partículas, devido a impactos e deposição sobre superfícies adjacentes são também recorrentes [35]. As partículas são classificadas como sendo primárias ou secundárias. As primeiras são emitidas diretamente da zona de combustão para a atmosfera. Contrariamente às partículas primárias, as secundárias são formadas na pluma dos gases de exaustão ou já na atmosfera. Neste estudo o objetivo centrou-se nas partículas primárias, formadas durante o processo de combustão, e libertadas diretamente da câmara de combustão para a atmosfera. A Figura 2 mostra o percurso de transformação das partículas primárias, que se podem dividir em partículas volantes finas e grosseiras, durante a combustão da biomassa. As primeiras têm dimensões reduzidas e têm origem a partir de dois percursores diferentes: a partir do material facilmente vaporizável presente nas cinzas da biomassa e a partir de matéria orgânica não oxidada, denominada por fuligem. Estas últimas são constituídas essencialmente por carbono elementar. As partículas grosseiras apresentam maiores dimensões (diâmetro> 10 m) e resultam de cinzas residuais que foram removidas da partícula incandescente que permaneceu no queimador e foram transportadas nos gases de combustão. As partículas formadas durante a queima dos combustíveis sólidos ou líquidos apresentam dois ou três modos distintos na sua distribuição mássica, sendo o modo dominante o correspondente às partículas finas. O segundo modo corresponde às partículas grosseiras e apresenta geralmente uma baixa concentração mássica de partículas [36]. Esta secção debruçar-se-á sobre os processos de formação de partículas a partir da vaporização dos elementos inorgânicos presentes nas cinzas. A teoria referente às partículas originadas a partir da combustão incompleta (fuligem) será abordada na secção

30 Figura 2. Mecanismos de formação de partículas primárias durante a combustão da biomassa em grelha fixa [36]. As cinzas são a matéria inorgânica do combustível e são sempre um produto da combustão, independentemente de esta ser completa ou incompleta [19]. Uma pequena fração dos compostos inorgânicos que constituem as cinzas é vaporizada durante a pirólise, no entanto a maioria é libertada durante a fase de combustão do resíduo carbonoso formando depois as cinzas volantes finas. No entanto, existem também compostos não voláteis (Ca, Si, Mg, Fe, Al), que permanecem no fundo do queimador, formando as cinzas de fundo. Uma fração deste material é arrastada pelo escoamento, originando as cinzas grosseiras volantes. Contudo, os mecanismos de formação de cinzas durante a combustão da biomassa precisam ainda de maior investigação, sendo necessário recorrer a estudos já realizados e referentes à formação de cinzas durante a combustão do carvão. O carvão é, com já referido, um combustível muito diferente da biomassa, devido ao seu longo processo de formação, que envolve um aumento de pressão e calor contínuo ao longo do tempo. Contudo, por serem ambos um combustível sólido, partilham alguns mecanismos de transformação das cinzas, pelo que será exposta seguidamente o processo de formação de cinzas durante a combustão de combustíveis sólidos. 21

31 As cinzas volantes classificam-se de acordo com o seu diâmetro aerodinâmico, variando não só no seu processo de formação, mas também na própria composição. As cinzas volantes que possuem um diâmetro aerodinâmico inferior a 1 m denominam-se cinzas volantes finas, enquanto as que apresentam um diâmetro aerodinâmico superior a 10 m, são as cinzas volantes grosseiras [36]. A Figura 3 mostra o processo de formação de partículas originadas a partir do material inorgânico existente nas cinzas. Estas diferenciam-se em cinzas volantes finas e cinzas volantes grosseiras. A matéria inorgânica presente na biomassa que vaporiza facilmente, e que experimenta mais tarde condensação ou nucleação, origina as cinzas volantes finas. Durante a combustão do resíduo carbonoso ocorre a vaporização de metais alcalinos presentes nas cinzas (K, Ca) que sofrem reações com outros vapores formando compostos alcalinos. K, Cl e S são os elementos predominantes nestas partículas, sendo por isso os mais relevantes. As suas temperaturas de evaporação são, respectivamente, de 700 ºC, abaixo de 500 ºC e 500 ºC. Praticamente todo o Cl e S, e uma grande quantidade de K, são vaporizados durante a combustão [9], [37]. Fortes evidências revelaram que o cloro aumenta a volatilidade dos metais alcalinos, reagindo com eles, formando compostos alcalinos como cloretos ou hidróxidos alcalinos, que são posteriormente libertados na fase gasosa. A espécie dominante é o KCl, e a sua vaporização aumenta quando a temperatura de combustão aumenta de 800 para 1100 ºC. A contribuição de metais alcalino-terrosos, Mg, e de metais pesados (Zn, Pb) para a formação de aerossóis é de menor relevância. [38], [9]. Figura 3. Processo de formação de partículas a partir dos elementos presentes nas cinzas [16]. Cl e pequenas quantidades de K são libertadas nas primeiras fases da combustão, isto é, na pirólise. A libertação de Cl dá-se em duas fases distintas, a temperaturas diferentes. 22

32 Aproximadamente 60% do teor de Cl é libertado quando a temperatura de pirólise aumenta de 200 para 400 ºC, voltando a ser novamente evaporado somente a temperaturas entre 700 a 900 ºC. Quando a temperatura se reduz para 1000 ºC formam-se os sulfatos de potássio (K 2 SO 4 ), através da sulfatação de hidróxidos alcalinos (KOH) e cloretos alcalinos (KCl). O processo de sulfatação de KCl liberta Cl, o qual pode reagir cataliticamente com a superfície do permutador de calor pelo mecanismo de oxidação ativa [1]. Posteriormente, os sulfatos alcalinos formados podem ficar supersaturados, devido a uma menor pressão de vaporização dos compostos, originando novas partículas por nucleação. A fracção de potássio que não forma sulfatos dá origem aos compostos KCl ou K 2 CO 3. Estes podem condensar sobre partículas já existentes (fuligem ou metais refratários), a partir de condensação heterogénea formando pequenas partículas. Estas podem ser constituídas por um núcleo de material orgânico e a sua superfície é constituída por elementos alcalinos. O teor de cloretos de potássio, presentes nas partículas finas, aumenta com a diminuição do diâmetro das partículas. A formação de cinzas volantes finas por nucleação ou por condensação heterogénea de vapores noutras já existentes são processos que competem entre si [39]. Quanto maior for a área superficial das partículas já existentes mais difícil se torna a nucleação e é favorecido o crescimento de partículas via condensação. O comportamento da vaporização dos compostos presentes nas cinzas é extremamente influenciado pelas características da biomassa. O efeito do aumento da concentração de cinzas no combustível é seguramente um fator marcante no aumento das emissões de partículas. A razão deste fenómeno é devida à vaporização dos elementos voláteis presentes nas cinzas, que é tanto maior quanto maior for a concentração de cinzas no combustível. A maior facilidade dos elementos metais alcalinos se volatilizarem depende também do teor de Si no combustível, pois a presença elevada desta reduz a quantidade de alcalinos volatilizados na fase gasosa. Do mesmo modo constatou-se que o teor de Cl no combustível afeta o comportamento de volatilização dos alcalinos. Assim, o aumento do teor de Cl conduz a um aumento da concentração das partículas finas, pois os metais alcalinos contribuem de uma forma muito generosa para as emissões de partículas finas [37]. A concentração de Cl dita a quantidade de alcalinos vaporizados durante a combustão, mais do que o próprio teor de alcalinos [17]. Os elementos existentes no resíduo carbonoso que não volatilizam e permanecem na grelha consistem particularmente em material não volátil (Ca, Mg, Si). Podem, contudo, também ser constituídas por material volátil que não foi libertado (K, Na e Al) [38], [17]. Estes compostos fundem e coalescem dentro e sobre a partícula incandescente, dependendo da temperatura e composição química das partículas [1]. O resultado são partículas de cinzas residuais com uma 23

33 vasta gama de composição, tamanho e forma diferentes, fatores que estão relacionados com o material que lhes deu origem. Dependendo da sua densidade, tamanho, tecnologia e velocidade dos gases de combustão, uma fração das partículas residuais irá ser arrastada pelo escoamento, formando as cinzas volantes grosseiras, que podem sofrer aglomeração e fundir umas nas outras ou fragmentar em pequenos pedaços. Sucede assim que, por vezes, frações de combustível não queimado que são arrastados pelo escoamento originam também as cinzas volantes grosseiras [30]. As temperaturas máximas atingidas em sistemas de leito fixo de biomassa são da ordem de ºC. Dependendo do tipo de material que constitui as cinzas e das temperaturas atingidas na zona de queima das partículas de combustível, pode ocorrer a fusão das cinzas constituintes do material que permanece no queimador, acontecendo originar aglomerados de cinzas de grandes dimensões. Tal facto pode interferir com a distribuição do ar de combustão que se mistura com o combustível, afetando o processo de combustão. Alguns dos constituintes da matéria inorgânica que dão origem às cinzas são nutrientes essenciais para o crescimento de plantas, e as suas cinzas podem ser usadas para o crescimento de novas plantas [30]. Os países que utilizam a queima de biomassa para geração de energia, tais como a Finlândia, Suécia, Dinamarca, Áustria e Alemanha têm já legislações que favorecem e controlam a reciclagem das cinzas para deposição destas em florestas e áreas destinadas à agricultura [40]. No entanto, a quantidade de cinzas reciclada é muito menor que a produzida durante a combustão da biomassa, apesar de este ser um problema mais relevante nas cinzas volantes. As cinzas volantes, para além de contribuírem fortemente para as emissões de partículas, são também causadoras de fenómenos de depósitos e aglomerações (fouling e slagging na literatura inglesa) nas superfícies dos sistemas de combustão, podendo causar a sua ruína. Depósitos é o termo relacionado com as camadas de material que se encontram alojadas nas superfícies do equipamento de transferência de calor. Os depósitos são formados a partir da matéria inorgânica do combustível, dos quais os metais alcalinos, potássio e sódio apresentam a concentração mais elevada. Este fenómeno ocorre para temperaturas inferiores a 1000 ºC, e é um processo relativamente lento, em que o crescimento dos depósitos de cinzas se dá ao longo de dias. Com a diminuição da temperatura eles tendem a ser menos extensos e enfraquecem. Os depósitos criam uma resistência adicional à transmissão de calor, aumentando a temperaturas dos gases de combustão. Devido à natureza dos elementos químicos que participam neste fenómeno, o potencial de ocorrência de corrosão é elevado. Aglomerações é o termo associado aos depósitos nas paredes da caldeira ou outras superfícies expostas ao calor por radiação. Este fenómeno ocorre para temperaturas da ordem dos 800 ºC e é 24

34 um processo rápido, que se desenvolve numa questão de horas, envolvendo processos de fusão e sinterização de cinzas volantes Partículas resultantes da combustão incompleta As partículas resultantes da combustão incompleta dividem-se em fuligem, que consiste essencialmente em carbono elementar, e partículas orgânicas condensadas (alcatrões). O processo de formação da fuligem é complexo e não é ainda totalmente compreendido. A sua constituição é essencialmente de carbono sólido elementar, e a sua génese consiste numa sucessão de várias reações químicas. Em grandes unidades, como centrais térmicas e sistemas de aquecimento urbano, as emissões de partículas são compostas somente por material proveniente das cinzas do combustível, pois a sua elevada área permite a existência de uma boa aerodinâmica no interior da câmara, sendo por isso as emissões devidas à combustão incompleta menores. Os processos químicos que levam à formação e crescimento das partículas de fuligem durante a combustão da biomassa encontram-se esquematizados na Figura 4. A formação de fuligem ocorre cedo na chama, e a sua oxidação dá-se muito rapidamente em zonas quentes da frente de chama, sendo os agentes oxidantes envolvidos a molécula de O 2 e o radical OH. Este processo inicia-se aquando da libertação de voláteis no momento em que fragmentos de hidrocarbonetos abandonam a partícula de combustível, em zonas localmente ricas da chama, onde a concentração de O 2 é baixa. Estes fragmentos fracionam-se em pedaços menores que reagem entre eles e com os gases circundantes, formando anéis aromáticos. Julga-se que a estes anéis aromáticos se juntam grupos alquilos, formando-se hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (PAH na literatura inglesa), que crescem até formarem a fuligem. Os fenómenos que levam ao crescimento destas partículas são inicialmente o crescimento superficial e a coagulação. No entanto, quando a coagulação já não é possível devido à falta de crescimento superficial, ocorre a aglomeração de fuligem. As partículas de fuligem resultantes são então formadas por pequenos agregados de partículas esféricas. 25

35 Figura 4. Representação esquemática do processo de formação da fuligem [19]. Pesquisas anteriores sugerem que a nucleação das partículas de fuligem, no carvão, ocorre na envolvente da partícula em combustão [36]. Os voláteis ao serem libertados do resíduo carbonoso originam um escoamento exterior a este, que devido a fenómenos de impulsão origina uma esteira a jusante da partícula de resíduo carbonoso [35]. A formação da fuligem ocorre ao longo do escoamento, e aglomeram-se na esteira deste, tal como se mostra na Figura 5. Figura 5. Representação esquemática da formação de fuligem na chama envolvente do resíduo carbonoso durante a combustão do carvão [36]. 26

36 Os principais parâmetros que afetam a taxa de oxidação da fuligem são a concentração de oxigénio e a temperatura, sendo que as condições ideais para a sua geração são as regiões muito ricas. No entanto, se a temperatura decrescer, a importância da concentração de oxigénio é menor. Existe assim uma quantidade de adição de ar ótima, pois quando a quantidade de ar é elevada, a temperatura diminui, provocando o decréscimo da taxa de oxidação da partícula de fuligem, reduzindo o seu tempo de residência para que ocorra oxidação completa e contribuindo para o incremento das emissões de aerossóis [36]. Tanto o teor de metais alcalinos como o de material volátil têm influência na formação de fuligem. A formação de fuligem é afetada pela presença de metais alcalinos, pois estes podem ter uma ação catalítica na oxidação da fuligem, aumentando a sua taxa de oxidação. A quantidade de matéria volátil tem também influência na formação de fuligem, tendo-se verificado que, para o carvão, quanto maior o seu teor em voláteis maior a quantidade de fuligem formada Outros fatores na emissão de partículas A redução de partículas tem sido alvo de intensos estudos, em especial durante o processo de combustão, uma vez que, devido aos custos elevados, os sistemas de limpeza gasosos não são uma boa opção para as unidades de pequena escala, [36]. Para que o progresso do estudo da diminuição das emissões de partículas seja alcançado, é necessário o conhecimento dos fatores que influenciam a sua formação e o seu desenvolvimento. São vários estes fatores, sendo que muitos deles necessitam ainda de um estudo mais aprofundado. Entre os principais, estão a temperatura dentro da câmara de combustão, as propriedades do combustível, a aerodinâmica da combustão e a estratégia de fornecimento de ar [36]. Temperatura da câmara de combustão A temperatura tem um efeito contraditório nas emissões de partículas. O aumento da temperatura no interior da câmara promove a taxa de vaporização do material inorgânico na zona de queima, aumentando as emissões de cinzas volantes. Estudos anteriores sugerem que o potássio é libertado em quantidades apreciáveis quando a temperatura excede 700 ºC, e que a sua quantidade libertada aumenta com o aumento da temperatura, sendo que a 1150 ºC entre 50-90% de todo o K se encontra já na fase gasosa. Por outro lado, o aumento da temperatura diminui as emissões das partículas volantes grosseiras, provavelmente devido a uma maior tendência destas para, com a subida da temperatura, se fixarem às paredes da câmara, causando, contudo, a sua deposição nas paredes [16]. As 27

37 emissões de fuligem diminuem também, como resultado de uma maior taxa de oxidação a altas temperaturas. Aerodinâmica Uma boa mistura a altas temperaturas, durante um tempo de residência adequado permite a oxidação completa da fuligem e outros hidrocarbonetos. Pelo contrário, se o escoamento resultar numa fraca mistura entre o ar e o combustível e existir quenching local devido às paredes mais frias da câmara, as emissões de fuligem podem ser elevadas. Estes fenómenos são, no entanto, mais relevantes a baixas temperaturas. Fornecimento de ar Johansson et al. [41] observaram que perante menores quantidades de excesso de ar ocorre um deslocamento da distribuição da concentração mássica das partículas em direção às partículas de maiores dimensões. Os autores concluíram que uma menor presença de excesso de ar pode ser favorável na redução de menores partículas. Por outro lado, Kaufmann [42] afirma que a vaporização dos elementos minerais da biomassa aumenta com o aumento da temperatura causada pelo decréscimo do excesso de ar. Contudo, Johansson et al. [41] reportaram igualmente que a redução do excesso de ar pode aumentar a emissão de partículas de fuligem, sugerindo que excessos de ar reduzidos conduzem à combustão menos completa. De facto, uma reduzida presença de excesso de ar pode afetar o processo de combustão através da diminuição de oxidante disponível para oxidação completa do combustível. No entanto, um excesso de ar elevado causa também um decréscimo acentuado na temperatura, podendo congelar as reações de oxidação, conduzindo à combustão incompleta do combustível e à formação de fuligem e acumulação de cinzas, causando uma obstrução à passagem de ar [11]. Estratégias de fornecimento de ar têm sido implementadas para estudar o seu efeito nas emissões de partículas. A estratégia de fornecimento de ar que tem sido alvo de maiores estudos foi o estagiamento de ar. Esta técnica poderá ter uma influência muito positiva na formação de fuligem. Isto porque se o carbono que não foi ainda oxidado encontrar a zona de ar secundário, ainda a temperaturas elevadas, poderá favorecer a sua oxidação Recirculação dos gases de exaustão Um dos principais métodos, e dos mais eficientes, de redução das emissões de NO é a recirculação dos produtos de combustão, que consiste no reenvio dos produtos resultantes da combustão novamente para a zona da chama. As suas principais vantagens são o facto de ser um processo muito económico e que requer poucas modificações na caldeira, ao contrário das 28

38 modificações pós combustão, como é o caso de catalisadores, que apresentam custos muito elevados. A Figura 6 mostra um esquema simplificado do mecanismo deste processo. Os constituintes dos produtos da combustão, CO 2, N 2 e H 2 O entre outros, são reintroduzidos na chama e agem como diluentes do oxidante, o que resulta na redução da temperatura de combustão. Tal fenómeno é devido ao calor específico (c p ) dos produtos de combustão ser muito superior ao calor específico do ar fresco. Assim sendo, para o mesmo calor libertado, quando os produtos são recirculados aumentam o calor específico do ar de admissão na caldeira, conduzindo a um decréscimo da temperatura no interior da câmara de combustão [43]. Uma outra consequência é que, pelo fato de haver mistura entre o ar de combustão e os gases de exaustão recirculados, ocorre a diminuição da concentração de oxigénio na zona de reação, o que afeta a formação de NO, pois este é fundamental na química de formação deste poluente, e permite um maior tempo de residência de NO, visto este ser recirculado [44] [43]. Este método é mais eficaz se a combustão ocorrer a temperaturas altas, pois o decréscimo de temperatura consequente da aplicação de RGE inibe a formação de NO via mecanismo térmico. Apesar de efetivamente reduzir as emissões de NO e de ser um método bastante económico de redução de NO apresenta algumas desvantagens, como o aumento da instabilidade da chama, menor eficiência da combustão e aumento das emissões de CO [45]. No entanto, estudos anteriores provaram igualmente que este método é eficaz na redução das emissões de CO, para misturas estequiométricas, e no aumento da eficiência da combustão [46]. Gases de Exaustão Recirculados Combustível Gases de Exaustão Combustão Ar de combustão Figura 6. Esquema simplificado do processo de RGE Estagiamento de ar O estagiamento de ar é uma outra técnica de controlo de NO muito usada em centrais elétricas a carvão. A figura 7 mostra um esquema simplificado deste processo que consiste na criação de uma zona rica, zona primária de combustão, que resulta numa combustão da chama menos intensa. Posteriormente os produtos resultantes da combustão primária são novamente queimados numa zona rica em O 2 (zona de combustão secundária). 29

39 Esta técnica reduz as emissões de NO devido a: Privação de O 2 e menor mistura entre o combustível e o ar de combustão, inibindo a formação de NO via mecanismo do combustível, Temperatura da chama na zona de combustão primária menor, devido à escassez de O 2, dificultando a formação de NO via mecanismo térmico. A aplicação desta técnica em caldeiras domésticas/pequenas não é comum, no entanto algumas pesquisas sugerem que reduza as emissões de NO entre 40% a 70%, dependendo do conteúdo de N no combustível e outras condições [47]. No entanto, pelo facto de a câmara de combustão das caldeiras domésticas possuir dimensões reduzidas, a redução de NO a partir de estagiamento de ar pode ser pouco significativa, pois a mistura entre o ar secundário de combustão e o combustível é mais difícil de obter. Um outro problema desta técnica em pequenas instalações é que as diminuições de NO podem ser acompanhadas de um aumento das emissões de CO e HC, devido a uma pior mistura entre o ar secundário e os produtos da zona primária de combustão, como resultado de maiores restrições no tamanho da câmara. Ar secundário Ar primário Combustível Zona de Combustão Primaria Zona de Combustão Secundária Gases de Exaustão Figura 7. Esquema simplificado do processo de estagiamento de ar. 30

40 3. INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL O trabalho experimental desenvolvido durante o processo de investigação foi realizado no Laboratório de Combustão do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico. A Figura 8 apresenta a instalação experimental, podendo-se visualizar a caldeira em estado operacional. Figura 8. Instalação Experimental Caldeira doméstica Os testes foram realizados numa caldeira doméstica com uma capacidade térmica máxima de 22 kw, de ventilação forçada, cujo modelo é TERMO IDEAL CERAMIC 22 kw, do fabricante Anselmo Cola. Estes tipos de equipamentos de combustão de biomassa estão sujeitos à norma EN 14785:2006. Tal como se mostra na Figura 9 as dimensões da caldeira são de 1204 mm de altura (excluindo o painel de controlo), 602 mm de largura e 638 mm de profundidade, com uma tara de 210 kg. A estrutura e a câmara de combustão são constituídas por aço e ferro forjado. 31

41 Figura 9. Dimensões da caldeira. A caldeira possui um circuito de água interno destinado a trocar calor com os gases de combustão, permitindo que estes arrefeçam. Esta troca de calor é realizada num permutador de calor situado no topo da câmara de combustão. O caudal do circuito interno de água da caldeira é medido recorrendo a um rotâmetro convencional. A troca de calor entre os gases de combustão e a água do circuito interno permite a libertação de calor para o exterior, tendo assim a caldeira a função de aquecimento central. O circuito de água interno, aquecido pelos gases de combustão, necessita trocar calor com um circuito de água externo de forma a diminuir a sua temperatura. Para esse fim, utilizou-se um permutador de placas, e recorreu-se a uma bomba de recirculação para promover a circulação entre o permutador de calor intrínseco à caldeira e o permutador de placas. As pellets são introduzidas manualmente num depósito afunilado com 45 dm 3 de capacidade máxima. No fundo do depósito encontra-se um parafuso sem fim, cuja função é o transporte das pellets até à câmara de combustão através de uma calha ascendente. A alimentação das pellets é do tipo vertical pelo topo. As pellets ao serem recolhidas pelo parafuso sem fim são transportadas para uma braseira (ou queimador) de 120 mm de diâmetro, local onde se dará a ignição do combustível. A ignição é provocada recorrendo a uma resistência elétrica que se encontra colocada junto à braseira. A limpeza diária do queimador é de extrema importância para garantir que a combustão tenha uma quantidade de ar suficiente e que não haja contaminação de cinzas de testes anteriores. 32

42 A carga térmica é selecionada a partir do painel de comandos da caldeira, que controla o número de rotações por minuto do parafuso sem fim, controlando assim a quantidade de pellets que alimenta a chama a cada minuto. Um sensor de pressão controla a perda de carga de pellets por minuto, sendo este valor lido a cada minuto num computador, ficando assim registado o valor do consumo horário do combustível em cada ensaio. O material que não foi queimado durante a combustão acumula-se num depósito de secção retangular, localizado por baixo do queimador. A este componente dá-se o nome de coletor de cinzas e antes do início de cada teste a sua limpeza é realizada. Localizado abaixo do coletor de cinzas encontra-se um ventilador, componente da caldeira que é responsável pelo fornecimento de ar para a combustão, realizando simultaneamente a extração dos gases de combustão para a conduta de escape. Para que o fornecimento de ar no queimador seja conseguido existe uma pequena folga entre o coletor e as paredes da caldeira, de forma que o ar fornecido pelo ventilador alimente o queimador. A caldeira não trabalha sempre em modo estacionário, na realidade existem diferentes fases durante todo o seu processo de funcionamento, sendo cada uma caracterizada por uma diferente velocidade de ventilação e caudal de alimentação de pellets diferente. Durante o seu funcionamento, o painel de comandos dá a informação da fase em que a caldeira está a trabalhar. Após ligada a caldeira inicia-se a fase de arranque. Esta é a primeira fase, caracterizada pelo aquecimento da resistência elétrica e início do carregamento das primeiras pellets. Ocorre ainda nesta fase o aparecimento da primeira chama. O sensor de temperatura montado na exaustão deteta a presença de chama e o sistema fica condicionado até a deteção da primeira chama estável [35]. Após a primeira chama estável, a temperatura deve subir até um mínimo de 54 o C, temperatura a partir da qual se inicia um nova fase: a fase em regime estacionário. Nesta fase a bomba de recirculação é ativada, dando inicio à transferência de calor entre o circuito de água interno e o circuito de água externo. Durante esta fase a alimentação de pellets é constante e a temperatura deve-se situar entre 54 o C e 75 o C. Se a temperatura ultrapassar este valor, a caldeira irá reduzir o consumo de pellets, de modo a diminuir a temperatura no mínimo até 6 o C. Durante esta fase ocorre a fase de limpeza, que se repete a cada 11,5 minutos e tem a duração de 30 segundos. Durante a fase de limpeza o consumo de pellets diminui e ocorre simultaneamente o aumento do caudal de ar de forma a remover as cinzas presentes no queimador, para evitar a obstrução deste à passagem do ar de combustão. Inicialmente a câmara de combustão foi projetada de forma a ser dividida em duas zonas: a zona de ar primário e a zona de ar secundário. O ar primário é fornecido pelo ventilador que se encontra por baixo do coletor de cinzas, e que alimenta o queimador a partir de pequenos orifícios localizados na sua parte inferior. O ar secundário é fornecido por um tubo vertical. No entanto, 33

43 este método não permitia regular o rácio pelo que o tubo que fornecia o ar secundário foi retirado ficando assim a câmara de combustão restringida apenas à zona de combustão primária. A caldeira foi projetada para trabalhar exclusivamente com pellets de diferentes tipos de madeira, que se cumpram os requisitos impostos pela norma DIN 51731, cujas características estão listadas na Tabela 3. Tabela 3. Propriedades dos pellets de acordo com a norma DIN PCI mínimo 17,28 MJ/kg (4180 kcal/kg) Massa volúmica kg/m 3 Humidade max. 10% peso Diâmetro 6 ± 0,5 mm Teor de cinzas max. 1,5% peso Comprimento min. 6 mm max. 30 mm Composição madeira 100% não tratada sem aditivos ou resíduos Salienta-se que o uso de pellets cujo diâmetro seja diferente do especificado pode conduzir a problemas de mal funcionamento da caldeira, devido a que a velocidade de rotação do parafuso sem fim foi especificada para o diâmetro das pellets especificados acima Modificações realizadas na caldeira de combustão Recirculação dos gases de combustão Para o estudo do efeito que o RGE tem na diminuição das partículas foi necessário efetuar mudanças ao esquema de funcionamento normal da caldeira. A passagem de ar circulante na conduta de ar de admissão encontra-se separada da conduta de passagem dos gases de escape por uma válvula, que se encontra fechada durante os testes sem recirculação. Durante os testes com RGE a quantidade de ar admitida é controlada por uma válvula, que se encontra totalmente aberta quando não se dá a recirculação. A Figura 10 mostra o esquema das modificações efetuadas na caldeira quando se aplicou RGE. Quando se implementa a recirculação dos gases de combustão é necessário a abertura total da válvula que separa os gases de exaustão do ar admitido. A válvula que permite a introdução de ar de combustão é parcialmente fechada, permitindo assim a entrada de uma percentagem de gases de exaustão na conduta de admissão de ar. Assim, uma fração dos gases de combustão é introduzida na conduta de admissão de ar, circulando agora uma mistura entre o ar e os produtos de combustão, mistura esta que consiste no oxidante. 34

44 250 Para que a percentagem de produtos de combustão recirculados seja a desejada é necessário inicialmente monitorizar com o auxílio de uma sonda arrefecida a água a percentagem volumétrica de CO 2 presente nos gases de exaustão. O funcionamento e a estrutura da sonda são explicados na secção seguinte, Métodos experimentais, estando a estrutura da sonda esquematizada na Figura 15. De forma a obter a percentagem pretendida de CO 2 na conduta de admissão multiplicou-se a percentagem volumétrica de CO 2 pela percentagem de RGE desejada. O valor resultante é ajustado através da válvula de fornecimento de ar de combustão e lido a partir dos analisadores de gases, tendo-se para tal colocado a sonda na conduta de admissão de ar. Gases de exaustão 320 Profundidade = 180 Ar Pellets Ar + produtos de combustão Coletor de cinzas Dimensões em mm Figura 10. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de RGE. Estagiamento de ar Para criar uma zona secundária de combustão, usou-se uma estrutura de aço inoxidável com a forma apresentada na Figura 12 por onde escoa o ar comprimido, fornecido por um compressor. Um outro rotâmetro convencional mediu o caudal de ar injetado, sendo o seu ajuste controlado manualmente pela abertura ou fecho da válvula responsável pelo fornecimento do ar secundário. Desta forma a razão desejada foi controlada. A estrutura por onde escoa o ar secundário apresenta orifícios ao longo de toda a sua forma. Assim, o ar secundário circulante alimenta a chama diretamente, a partir dos orifícios, formando jatos de ar, como mostra a Figura 11. Estes jatos de ar secundário fazem um angulo de 45º com a vertical, tendo sido esta orientação definida manualmente. Esta orientação foi a única testada. A quantidade de ar total fornecido manteve-se constante, sendo o ar primário fornecido pelo ventilador da caldeira. A quantidade de ar primário fornecido é função do aumento do ar secundário e é um parâmetro controlado pela própria caldeira. 35

45 O ar primário ao ser injetado por baixo da grelha promove o aquecimento e secagem do combustível, iniciando a libertação da matéria volátil e sua combustão em condições muito ricas. Na zona secundária, acima do queimador, ocorre a combustão da matéria volátil em condições com um teor de O 2 elevado [11]. Ar secundário Ar secundário Pellets Ar primário Figura 11. Esquema da alteração realizada na caldeira para testar o efeito de estagiamento de ar. Orifícios por onde escoa o ar secundário Figura 12. Dispositivo utilizado para estagiamento de ar. 36

46 3.3. Métodos experimentais A Figura 13 mostra o esquema de toda a instalação experimental. Uma bomba extrai a amostra gasosa dos gases de exaustão, recolhida por uma sonda, que atravessa um circuito fechado de remoção de humidade e filtragem de partículas, bombeando a amostra até aos analisadores. A humidade presente na amostra dos gases de combustão é removida por um condensador e seguidamente em gel de sílica. A amostra já seca passa então por um filtro de algodão que remove partículas residuais, chegando aos analisadores uma amostra limpa e seca. Chega assim aos analisadores um caudal de amostra constante de gases de combustão. Os analisadores fornecem a concentração das espécies gasosas em percentagem volumétrica e em base seca. Durante a recolha de partículas um filtro foi usado, de forma a capturar as mesmas, para o seu estudo posterior. Pellets Gases de exaustão T1 Termopares tipo K 12 bit A/D Rede de abastecimento de água T2 T3 Sonda Analisador de HC Analisador de NO x Analisador de O 2 Analisador de CO e CO 2 Ar Balança RS 232 BOILER 220 V LPI3 Condensador Entrada de água Gel de silica Saída de água Filtro de algodão Bomba diafragma Garrafas de calibração Figura 13. Esquema da instalação experimental. Medição de temperatura Para a medição da temperatura à entrada (T 1 ) e saída (T 2 ) da água da câmara, bem como da temperatura dos gases de combustão (T 3 ) foram usados três termopares do tipo K, cujo material é constituído por Ni-Cr e Ni-Al. Estes termopares têm como vantagem o seu baixo custo e são indicados para a medição de temperaturas abaixo de 1000 ºC. Os sinais analógicos dos termopares são lidos num computador, sendo convertidos através de uma placa de conversão A/D, e os valores registados a cada segundo. Medição de espécies gasosas Para cada tipo de espécie gasosa é necessário usar um analisador apropriado, cada um com um princípio de funcionamento diferente. A Tabela 4 descreve o tipo de analisador para as cinco espécies gasosas medidas, e o princípio de funcionamento de cada um. 37

47 Tabela 4. Características dos analisadores utilizados na medição da concentração das espécies químicas. Espécie gasosa Analisador Princípio de funcionamento O 2 Horiba Paramagnetismo Modelo CMA-311A CO 2 HORIBA Modelo CMA-311 A Não dispersiva de infravermelhos CO Horiba Modelo CMA-311 A Não dispersiva de infravermelhos NO x Horiba Quimiluminescência Modelo CLA-510 SS HC Amluk Modelo FID E 2020 Deteção por ionização de chama A recolha das amostras gasosas foi conseguida com o auxílio de duas sondas diferentes, ambas de aço inoxidável: uma que se coloca no tubo de escape, no eixo de simetria deste, a uma distância vertical elevada da secção de entrada da conduta de exaustão de modo a evitar turbulência do escoamento e de forma a permitir a recolha de gases com uma quantidade de sujidade menor. Esta sonda permite a recolha de gases e de partículas, e apresenta uma secção de entrada estreita de forma a garantir uma velocidade de escoamento elevada. A sonda encontra-se acoplada com o impactor que permite a recolha de partículas, como mostrado na Figura 14. Figura 14. Sonda acoplada com impactor LPI para recolha de gases e de partículas. Uma outra sonda, arrefecida a água (ver Figura 15), é também colocada na conduta de exaustão, a uma distância de 0,75 m da secção de entrada da conduta de exaustão. Esta é também colocada na conduta de admissão do ar, de forma a medir a quantidade de produtos de combustão existentes neste quando se realizam os ensaios com RGE. A sonda arrefecida a água é constituída por um tubo interior, de diâmetro igual a 2 mm, por onde circulam os gases. A envolver o tubo interior estão dois tubos concêntricos, por onde escoa um circuito de água destinado a arrefecer os gases. As dimensões da sonda encontram-se representadas na Figura