Abordagens de modelação

Têm sido desenvolvidas várias abordagens com o intuito de superar algumas das limitações associadas à utilização de ferramentas de cálculo de equilíbrio químico. Tendo por base a estrutura inorgânica e a reatividade dos compostos presentes no combustível, desenvolveram-se modelos em que os elementos são agrupados de forma a permitir simular adequadamente as reações que ocorrem na fase gasosa e as reações gás-sólido.

Skrifvars et al. (1998a _{e 1998}b_{) através da análise quantitativa das cinzas produzidas em}

laboratório e baseando-se em pressupostos relacionados com a estequiometria dos elementos e considerações termodinâmicas, assumiram a presença de alguns compostos na cinza. Assim, para os cálculos de equilíbrio químico foi assumido que todo o fósforo estava presente como fosfato de cálcio, todo o cloro como cloreto de potássio, o enxofre como sulfato de potássio ou sódio, e o potássio restante como óxido, todo o silício como óxido, e que os restantes elementos estavam igualmente presentes como óxidos. A composição das cinzas foi dividida em três grupos, cujo comportamento em termos de fusão era diferente, nomeadamente, alcalinos simples, silicatos e restantes elementos.

Dois anos mais tarde, Zevenhoven-Onderwater et al. (2000) recorreram à análise química fracionada para avaliar a associação química dos elementos presentes na matriz do combustível. A análise química fracionada permite separar os elementos constituintes do combustível numa fração reativa (sais iónicos ou ligados à matriz orgânica) e numa fração não reativa (minerais incluídos ou excluídos da matriz). Os autores assumiram que a primeira fração correspondia essencialmente aos elementos que durante a combustão iriam dar origem às cinzas de menor granulometria (cinzas volantes) e a segunda fração às cinzas de maior granulometria (cinzas do leito). O comportamento/interação das duas frações de cinzas com os gases de combustão foi modelado através de cálculos de equilíbrio químico (Zevenhoven-Onderwater et al., 2000; Zevenhoven-Onderwater, 2001; Zevenhoven et al., 2003; Zevenhoven et al., 2005).

Esta abordagem, ao separar os elementos em função da reatividade, permite minimizar uma das limitações associadas à utilização de ferramentas de cálculo de equilíbrio químico, i.e., durante a combustão nem todos os elementos atingem o equilíbrio químico ao mesmo tempo. Porém, apresenta a desvantagem de não considerar a interação entre ambas as frações, o que poderá inclusivamente implicar uma sobre estimativa da quantidade de depósitos formados em zonas de transferência de calor por convecção ou de arrefecimento dos gases. É também possível que

Previsão da formação de depósitos e aglomeração de cinzas

Página 65 Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de

biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência

parte da fração reativa reaja com as partículas de cinza e areia do leito, e fique parcialmente retida nas cinzas do leito, não chegando portanto a sair desta zona (Frandsen et al., 2007).

Nutalapati et al. (2007) e Plaza et al. (2009) utilizaram igualmente a análise química fracionada para distinguir a fração reativa da fração não reativa. No entanto, para suprimir a limitação previamente apresentada, assumiram que uma percentagem da fração não reativa reagia com a fração reativa. Esta abordagem foi sustentada em investigações laboratoriais de combustão de carvão e biomassa, que evidenciaram que os elementos alcalinos presentes nas cinzas, quando vaporizados a temperaturas elevadas, podiam interagir com a superfície das partículas de sílica não reativa. Verificou-se que devido à interação de ambas as frações ocorreria um aumento da formação de silicatos alcalinos, que fundem a baixas temperaturas e contribuem para a formação de slagging ou aglomerados na caldeira.

O modelo desenvolvido inicialmente por Nutalapati et al. (2007) assume que todas as partículas de cinza são esféricas e tem o mesmo diâmetro (10 µm), a espessura da camada reativa é de aproximadamente 0,3 µm, a proporção de partículas que reage é a mesma a todas as temperaturas, a temperatura da partícula é a mesma que a temperatura do gás e não existem diferenças entre minerais incluídos e excluídos. Nos cálculos de equilíbrio químico, em que uma percentagem de elementos não reativos foi considerada juntamente com a fração reativa, verificou-se uma maior retenção de potássio pelas cinzas do leito e, consequentemente, uma diminuição de potássio nos condensados (Nutalapati et al., 2007).

Korbee et al. (2003) sugeriram uma técnica que consideraram ser mais robusta para prever a associação química dos elementos no combustível. Considerando o comportamento de extração a diferentes níveis de pH, identificaram as espécies químicas que estariam presentes na biomassa com maior probabilidade. Por exemplo, elementos cujo comportamento em termos de extração fosse o mesmo para todos os níveis de pH estariam provavelmente na biomassa sob a forma de sais ou iões livres, ou eventualmente sob a forma de compostos orgânicos dissolvidos. Elementos cuja extração ocorresse maioritariamente em condições de pH ácido, tais como o Ca, Mg, Al e Si, estariam incorporados na biomassa como minerais ou sólidos orgânicos. O comportamento das espécies químicas identificadas como prováveis e dos gases de combustão foi posteriormente avaliado por cálculos de equilíbrio químico (Korbee et al., 2003; Doshi et al., 2009).

Na literatura, o cálculo do equilíbrio químico surge ainda como uma ferramenta para avaliar de forma qualitativa os fenómenos de aglomeração, usando como dados de entrada os elementos

Previsão da formação de depósitos e aglomeração de cinzas

Página 66 _{Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de} biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência químicos presentes nas camadas que se formam em redor das partículas do leito e a atmosfera de combustão (Geyter et al., 2007). Outra aplicação desta ferramenta consiste em prever a quantidade e composição dos compostos fundidos, e utilizar esta informação como dados de entrada num outro software para prever a viscosidade dos compostos fundidos (Miller et al., 2007).