8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 COMBUSTÃO MULTICOMBUSTÍVEL EM LEITO FLUIDIZADO PARA APLICAÇÃO EM PCTS L.D. Zen*, M.J. Soaresº, G. F. Gomesºº *CIENTEC, Porto Alegre- RS - Brasil, UNISINOS, São Leopoldo - RS - Brasil º CIENTEC, Porto Alegre- RS - Brasil, ºº CIENTEC, Porto Alegre - RS - Brasil *e-mail: dallazen@cientec.rs.gov.br RESUMO Esse trabalho teve pôr objetivo demonstrar, a partir de operações em planta piloto, a viabilidade da utilização multicombustível do processo de combustão em leito fluidizado. Os dados obtidos na combustão de diversos tipos de combustiveis sólidos forneceram parâmetros técnicos para o projeto de câmara de combustão única com características de atendimento multicombustível. A principal relevância esta associada à possibilidade de implantação de pequenas centrais térmicas -PCTs- tecnicamente, ambientalmente e estrategicamente adequadas para atendimento à produção independente ou co-geração de energia a preços competitivos. PALAVRAS-CHAVE Combustão, Leito Fluidizado, Multicombustível, Resíduos Sólidos, Geradores de Vapor
INTRODUÇÃO Com a recente regulamentação do mercado brasileiro de energia que ao definir regras para geração e comercialização de energia a partir de biomassas, entre outras fontes altenativas de energia, torna de extrema importância a utilização de processos de combustão para geração em PCTs, que possam atender a grande gama de biomassas disponíveis, desde a madeira proveniente de reflorestamentos até resíduos industriais ou agrícolas. Dentre as tecnologias de combustão disponíveis a única que pode atender a diversos tipos de combustíveis, únicos ou em misturas, é o processo em leito fluidizado, sendo que para tal objetivo faz-se necessário que a câmara de combustão seja projetada a partir de dados experimentais obtidos em operações em planta piloto, pela inexistência de dados reais, tal como feito nesse trabalho. Além das biomassas testadas (lenha picada LP, casca de arroz CA, serragem SE, resíduos florestais RF, resíduos de madeireira RM), também foi incluído o carvão mineral como componente de combustível misto com lenha picada para garantir a emissão de compostos sulfurosos dentro das limitações impostas pela legislação brasileira [1]. METODOLOGIA Para o desenvolvimento desse trabalho, as atividades foram divididas em dois tipos: uma teórica, com o objetivo de definir os parâmetros teóricos de combustão a partir das características químicas de cada combustível e uma prática, constituída de operações em planta piloto de onde a partir das características de cada combustível foram avaliados o sistema de alimentação, os parâmetros fluidodinâmicos e a combustão propriamente dita, além de dados relativos a emissões gasosas. Os combustíveis mistos utilizados nesse trabalho foram serragem com lenha picada e carvão mineral com lenha picada. Caracterização dos combustíveis Foram determinadas as características específicas análise elementar, poder calorífico e ar necessário com a finalidade de identificação de relações de mistura ar/combustível para temperaturas operacionais fixas. Na tabela 1 abaixo são apresentadas as características específicas dos combustíveis testados. Tabela 1: Características específicas dos combustíveis testados ρ ( kg/m 3 ) PCI BU kj/kg C H N S O Cinzas H 2 O MAR SO kg/kgcomb CM LP CA SE RM RF 1040 370 130 520 440 390 10473 11723 13397 10718 11053 12141 27,93 36,0 33,7 31,9 33,9 37,0 1,78 4,50 3,52 4,00 4,3 4,63 0,63 0,04 0,44 0,04 0,04 0,06 1,35 - - - - - 8,54 29,3 20,11 25,90 27,6 30,15 44,77 0,16 16,00 0,16 0,16 0,16 15,00 30,0 12,00 38 34 28,0 3,6 4,5 4,3 4,0 4,3 4,6
Atividades experimentais As atividades experimentais, basicamente operações em duas plantas piloto com potências de 0,25 MW t e 1,2 MW t, objetivaram a determinação de parâmetros fluidodinâmicos e de combustão, que servissem como base para o projeto da câmara de combustão aplicada a geradores de vapor. Também foram realizados testes relativos ao sistema de alimentação. Entre os parâmetros fluidodinâmicos o principal foi a velocidade de fluidização a frio do leito suporte, que, no caso de combustão de biomassa foi formado por areia e no caso de combustão de carvão mineral, inicialmente com areia e posteriormente pelas cinzas do próprio carvão mineral. Essa velocidade é utilizada para o dimensionamento do ventilador de insuflamento, principalmente na partida do sistema. Para os parâmetros de combustão a metodologia foi a fixação de variáveis para um determinado combustível, identificado como combustível de referência, e testes com os demais combustíveis procurando-se a comparação das eficiências de combustão, massas de ar, perdas de pressão, cargas térmica do leito e da câmara, para uma mesma temperatura de combustão e geração de calor. O combustível utilizado como referência foi a casca de arroz, pelos motivos a seguir relacionados: disponibilidade em várias regiões do estado do Rio Grande do Sul; poder calorífico elevado em relação as demais biomassas, facilidade de escoamento; presença de cinzas; baixo teor de umidade; testado e já bastante testado em leito fluidizado [2]. As plantas piloto onde foram realizadas as atividades experimentais, com pequenas variações, apresentam o fluxograma básico apresentado a seguir: Figura 1. Fluxograma básico da planta piloto No fluxograma apresentado na Figura 1, pode-se definir o processo como abaixo: Combustíveis sólidos provenientes dos silos (1) ou (3), com vazões controladas pelas roscas dosadoras (2) e (4), são injetados por gravidade por dutos (5) na fornalha (6), onde é processada a combustão, de onde os gases gerados seguem para um ciclone (7) de material refratário (além de abater parte das cinzas ainda permite um maior tempo de residência) de onde saem para um trocador de calor (10) o qual pré-aquece o ar combustão e de fluidização proveniente de um compressor (20). Os gases após serem resfriados no trocador de calor (10) são liberados para a atmosfera por uma chaminé (12) após um ciclone (11) ou, no caso de exigências de menores concentrações de particulados, são os mesmos resfriados através de uma mistura com ar atmosférico (13), induzida pela atuação de um ventilador de tiragem balanceada (15), para poderem ser convenientemente limpos em um filtro de mangas (16). Para a partida da planta o aquecimento inicial é obtido pela ação de gases quentes provenientes da combustão de álcool em um queimador (19) até que seja atingida uma temperatura uniforme no leito (~450º C), a partir da qual é iniciada a alimentação de combustíveis.
RESULTADOS Parâmetros fluidodinâmicos Os parâmetros fluidodinâmicos, definidos em função das características relativas a utilização dos leitos suportes de areia e de cinzas, são apresentados a seguir. A velocidade mínima de fluidização objetivou a determinação das vazões de ar que deveriam ser utilizadas para inicio de operação da planta piloto. Nesse projeto, a velocidade mínima de fluidização Vmf foi determinada para areia e essa velocidade é apresentada abaixo: Vmf areia = 0,8 m/s A velocidade média do ar de fluidização - V MOP - nas operações com todos os combustíveis, tanto com areia ou com cinzas de carvão mineral, e base para a determinação da área do leito e foi fixada como sendo: V MOP = 2,3 m/s As velocidades operacionais características de fluidização mantiveram-se entre 1,3 e 4,0 m/s para biomassas e entre 1,3 e 4,5 m/s para carvão mineral. Essas velocidades definem a faixa operacional para cada tipo de combustível. Os testes demonstraram a compatibilidade fluidodinâmica entre todos os combustíveis analisados com a areia utilizada como leito suporte, mesmo considerando-se a diferença de dimensões médias entre a lenha picada (maior dimensão = 50mm) e carvão mineral (maior dimensão 1,5mm). Também ficou demonstrada a compatibilidade fluidodinâmica entre os combustíveis mistos utilizados nesse projeto (carvão mineral/lenha picadas e serragem/lenha picada). Importante resultado obtido nesse trabalho diz respeito as alturas do leito suporte (altura de areia acima do distribuidor de ar) pois as mesmas atuam diretamente no dimensionamento do ventilador ou compressor. Os valores obtidos da altura de leito suporte são apresentados abaixo: h areia = entre 0,2 e 0,4 m h cinzas = entre 0,25 e 0,6 m e para os quais foram obtidas perdas de pressão que variaram entre os valores abaixo apresentados: P mín = 2500 Pa P máx = 6200 Pa A altura de leito de areia que mostrou-se mais adequada para combustão de biomassas foi de 0,25m e para combustão de carvão mineral 0,40m (altura de início = 0,25 m e altura final = 0,6 m ). Sistema de alimentação Os testes relativos ao sistema de alimentação foram realizados para identificar pontos ideais de lançamento dos diversos combustíveis, ou sobre, ou internamente ao leito. As analises foram relativas as distâncias entre o ponto de saída do combustível do duto de alimentação e o leito. Foram avaliadas as distâncias de 30, 60 e 90cm bem como a injeção diretamente sobre o leito através de duto de aço inoxidável refratário, acoplado a rosca dosadora e injetado na fornalha com diferentes comprimentos. Para testes de misturas de combustíveis foram instalados dois sistemas de alimentação, cada um com silo e rosca dosadora independentes, visando testes ou com os combustíveis pré-misturados em um único silo de alimentação ou alimentados independentemente para uma posterior mistura na zona de combustão. Para o sistema de alimentação de combustíveis mistos os resultados podem ser vistos a seguir: - carvão mineral e lenha picada: o sistema de pré-mistura em silo único apresentou uma degradação da mistura internamente ao mesmo e por conseqüência uma alimentação extremamente heterogênea e não adequada; o sistema de alimentação independente propiciou características ideais de escoamento e dosagem, sendo a principal diferença a altura de queda de cada combustível, o CM sendo injetado a uma distância de 30 cm do leito expandido e a LP diretamente sobre o leito através de um duto de aço inoxidável refratário; - serragem e lenha picada:
a opção que demonstrou-se adequada foi a de pré--mistura em silo único pois a serragem sozinha não apresenta boa capacidade de escoamento pôr ser altamente aglomerante devido a elevada absorção de umidade; Eficiências decombustão Os testes de combustão foram realizado em diversas condições operacionais que procuraram verificar quais as alterações que ocorreriam com as mudanças de combustíveis mantendo-se a mesma condição de geração de calor, referente ao combustível de referência casca de arroz. Para a consecução dos objetivos, algumas variáveis do processo foram consideradas como fixas e as principais foram a temperatura de combustão de 850 o C, velocidade de ar de 2,3 m/s no leito, a área do leito e o volume da câmara de combustão. Nessas condições foram feitos testes com os diversos combustíveis e determinado o rendimento de combustão como abaixo: η c = [ TCO 2 / [ TCO + TCO 2 ]] x 100 (1) onde: η c = rendimento de combustão TCO = teor de monóxido de carbono nos gases secos ( % ) TCO 2 = teor de dióxido de carbono nos gases secos ( % ) Em função da Eq.(1), a máxima eficiência é obtida na condição de menor teor de monóxido de carbono, avaliado em três pontos distintos da fornalha (diferentes tempos de residências) com um analisador de gases on-line. Para o combustível de referência CA, as condições que propiciaram a máxima eficiência de combustão estão abaixo especificadas: - relação ar/combustível = 11,3 kgar / kg CA - temperatura de combustão = 850 o C - teor de CO2 nos gases de combustão = 7,2 % - teor de CO na saída da fornalha = 435 ppm - máxima eficiência de combustão = 99,4 % - altura do leito de areia = 0,22 m - carga do leito: C L = 261 kg/hm 2 - carga térmica da câmara: C TC = 0,97 MW/m 3 Os principais parâmetros para o projeto de um sistema de combustão são a carga do leito (massa de combustível por hora metro quadrado de leito)e a carga da câmara (energia por hora por metro cúbico da fornalha) e esses valores são determinados nas condições de máxima eficiência de combustão. Para os demais combustíveis as operações foram realizadas nas mesmas condições de máxima geração de calor, relativa a máxima eficiência, obtida na combustão da casca de arroz onde era avaliada a relação ar/combustível que fornecesse a máxima eficiência. A análise dos gases, determinação dos teores de dióxido e monóxido de carbono, foi feita em três pontos (volumes) diferentes após a obtenção do equilíbrio térmico (temperaturas constantes em todos os pontos). Combustão mista: foram realizados testes que procuraram viabilizar a utilização de serragem (não utilizada atualmente pôr apresentar combustão incompleta liberação de fuligem- quando utilizada em grelha ou em sistemas pulverizados) e carvão mineral (emissão de compostos sulfurosos acima das concentrações impostas pela legislação ambiental brasileira, exigindo processos de dessulfuração pré ou pós combustão) que através da mistura com biomassas permite uma diluição e consequentemente atendimento as normas sem a necessidade de dessulfuração; resultados obtidos: combustão de serragem: após diversos testes com vária misturas, demonstrou-se adequada para uma mistura com lenha picada na seguinte proporção em massa: SE= 75 % e LP = 25%; combustão de carvão mineral: o carvão mineral avaliado (carvão CE 3300 Candiota) apresenta emissão de compostos sulfurosos dentro das condições impostas pela legislação ambiental brasileira desde que seja realizada como componente em um combustível misto com lenha picada com as seguintes proporções em massa: CM = 55% e LP = 45%; Na Tabela 2 são apresentados as relações ar/combustível, teores de CO2 e O2, eficiências máximas, carga do leito (C L ) e carga térmica da câmara (C TC ) para os combustíveis testados.
Tabela 2: Resultados obtidos na combustão CA LP RM RF Mist 1 SE/LP Mist 2 CM/LP Mar kg ar/kgcomb TCO 2 TCO ppm η c 11,3 10,0 9,5 10,6 9,4 9,1 7,2 8,8 8,8 8,5 7,5 8,4 435 620 799 772 744 590 99,4 99,3 99,1 99,1 99,0 99,3 C L kg / hm 2 261 300 316 288 320 317 C TC MW/m 3 0,97 1,05 1,06 1,03 1 1,19 Na tabela acima podem ser vistos os principais dados obtidos nas diversas operações realizadas, incluindo as misturas de serragem (Mist 1) e carvão mineral (Mist 2) com lenha picada. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS Conclusões A avaliação dos dados obtidos em aproximadamente 1000 horas de operações em planta piloto, em média 130 horas pôr combustível, permite a apresentação das seguintes conclusões: - é tecnicamente adequada a utilização de diversos combustíveis em um sistema único de combustão em leito fluidizado; - um sistema de combustão multicombustível pode ser projetado a partir de um combustível de referência entre os que foram testados, excluindo-se a serragem, pois a variação da carga no leito é perfeitamente absorvível pela característica do leito fluidizado; - o ventilador de insuflamento a ser utilizado no processo multicombustível deve possuir características elásticas em termos de massa de ar e de pressão; - a areia comum de rio, tal como a utilizada nesse projeto (granulometria 100% menor que 3mm), é perfeitamente adequada para formar o leito suporte para a combustão de biomassas e também como leito de partida na combustão de carvão mineral; - a carga do leito que pode ser utilizada para balizar um projeto de utilização dos combustíveis analisados nesse trabalho é de 300 kg/hm 2 independente do tipo de combustível de referência; - a carga térmica da câmara média a ser utilizada em projetos de geradores de vapor é de aproximadamente 1,2 MW/m 3 ; - embora os testes tenham sido realizados na temperatura de 850 o C, é tecnicamente viável a utilização de temperaturas de até 1000 o C sem a ocorrência de problemas operacionais ou fluidodinâmicos [3]; - excetuando-se o carvão mineral utilizado como combustível único, as emissões ambientais de todos os combustíveis derivados de biomassas estão dentro das limitações impostas pela legislação ambiental brasileira; - a combustão mista do carvão mineral - CE 3300 nas proporções definidas nesse trabalho ( 55 % CM e 45 % LP em massa) permite que o mesmo seja utilizado dentro das condições de emissões de compostos sulfurosos impostas pela legislação ambiental brasileira [4] ; - a combustão mista de serragem e lenha picada ( 75% SE e 25% LP) é tecnicamente viável mas exige que seja feita uma pré-mistura e utilização de silo único; - testes de alimentação também demonstraram que a serragem pode ser utilizada também misturada com resíduos florestais, resíduos de madeireiras e carvão mineral; - o sistema de alimentação via rosca dosadora mostrou-se adequado para todos os combustíveis testados sendo que o projeto da mesma para utilização multicombustível deverá ser feito em função do combustível com menor massa específica e a variação de rotação adequada aos demais combustíveis ;
- considerando-se que entre os combustíveis que podem ser utilizados em um mesmo equipamento se encontram a casca de arroz e o carvão mineral, em comum a presença de cinzas, o ideal é que o gerador de vapor seja projetado com sistema duplo de abatimento de particulados, tais como ciclone e filtro de mangas; - embora tenha sido obtida uma razoável potência da câmara de combustão, não foi levada em consideração a retirada de calor diretamente do leito, fato esse que permitiria teoricamente um aumento de até 60% do valor da mesma, embora essa possibilidade não seja aconselhável para combustíveis de baixa densidade, tais como são as biomassas utilizadas nesse trabalho; - as cinzas geradas na combustão de carvão mineral e casca de arroz apresentaram características bastante homogêneas, tais como granulometria, baixo teor de carbono e estrutura cristalina que as habilitam a serem definidas como matérias primas de materiais de construção, tais como tijolos ou cimento; Comentários Os resultados demonstraram que o objetivo principal do projeto foi atendido, ou seja, é possível o aproveitamento de diversos tipos de combustível em um mesmo equipamento que utilize o processo de combustão a leito fluidizado. Como decorrência dos resultados fica aberta a possibilidade de implantação de pequenas centrais térmicas -PCTs em locais em que haja a disponibilidade dos diversos combustíveis avaliados nesse trabalho com um custo de geração bastante atraente em relação a outros processos, principalmente na utilização de resíduos, e que poderiam viabilizar a introdução da figura do produtor independente de energia, autoprodutor ou co-gerador. As PCTs multicombustível apresentam uma vantagem estratégica por poderem operar com o combustível que se apresentar mais econômico em determinadas épocas, em função da oferta, além de permitir a formação de estoques para posterior consumo. Os dados técnicos obtidos nas diversas operações realizadas são suficientes para o projeto definitivo da câmara de combustão multicombustível de geradores de vapor para pequenas centrais térmicas e esses dados são provavelmente os primeiros determinados no Brasil para implantação do processo de combustão em leito fluidizado com tecnologia nacional. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CONAMA. Resolução- CONAMA- N o 008 de 06 de Dezembro de 1990 Publicada no D. O. U. de 28 de Dezembro de 1998, p. 25539 IN: Resoluções CONAMA : 1984 a 1992. 4 a ed. Brasília. DF, 1992, p.214-217 2. L. D. Zen and J. Katzap, "Combustion of Rice Husk in Fluidized Bed Furnaces" in Proc. 2 nd Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilizatiom., pp. 297-300. 3. L. D. Zen, "Aproveitamento Energético de Resíduos de Couro Cutyidos ao Cromo Através do Processo de Combustão em Leito Fluidizado," Tese de Doutorado, PPGEM., Univ. Federal do Rio Grande do Sul, 2000. 4. L. D. Zen, "Combustão Mista Carvão Mineral e Biomassas," Fundação de Amparo a Pesquisa do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Relatório Técnico Final, Nov. 2003. NOMENCLATURA CA casca de arroz LP lenha picada SE serragem RF resíduos florestais RM resíduos de madeireira ρ - densidade ( kg/m3) PCI BU poder calorífico inferior, base úmida (kj/kg) MAR SO - massa de ar seco estequiométrico vmf velocidade mínima de fluidização v MOP - velocidade média do ar de fluidização h altura do leito (m) P perdas de pressão (Pa) C L - carga do leito ( kg/hm 2 ) C TC - carga térmica da câmara ( MW/m 3 ) η c - rendimento de combustão TCO - teor de monóxido de carbono nos gases secos ( % ) TCO 2 - teor de dióxido de carbono nos gases secos ( % )