Apresentação e Objetivos do Trabalho

Em face do exposto anteriormente, a biomassa deve ser vista como um recurso energético importante e complementar no quadro global dos recursos energéticos disponíveis.

Em particular no caso de Portugal, o aproveitamento da biomassa pode ser visto como parte integrante do sistema de defesa da floresta contra incêndios, no entanto a

sua utilização para a produção de energia tem obrigatoriamente de seguir regras de proteção ambientais e de ser integrada nos contextos sociais e económicos locais.

A combustão em leito fluidizado é uma tecnologia particularmente indicada para o aproveitamento energético da biomassa pelas suas vantagens, quer em termos de redução da emissão de poluentes, quer em termos da flexibilidade relativamente ao combustível. Por outro lado, é igualmente uma ferramenta laboratorial muito eficaz para a obtenção de dados cinéticos válidos para aplicações no dimensionamento e projeto de sistemas de queima.

No âmbito desta tecnologia ainda existe muito trabalho de investigação a fazer no sentido de aproximar os rendimentos da queima da biomassa aos da queima de combustíveis fósseis. Atualmente os investigadores já dedicam mais atenção à combustão de biomassa em leito fluidizado, mas ainda existe muito mais literatura disponível relacionada com o estudo da queima de combustíveis fósseis. Mesmo no universo dos biocombustíveis, existe muito mais informação para os biocombustíveis líquidos do que para os biocombustíveis sólidos (Grammelis, 2010). Se se tiver em conta a enorme heterogeneidade do conjunto de combustíveis que compõem a biomassa, facilmente se percebe o longo caminho que ainda está por percorrer.

Como já foi referido, alguns autores referem a necessidade de aprofundar o estudo da combustão de biomassa em leito fluidizado, chamando a atenção para a necessidade de compreender os mecanismos básicos das várias etapas da queima das partículas. O propósito deste trabalho vai nesse sentido.

O objetivo geral deste trabalho é estudar os mecanismos de queima de biomassa de origem nacional, complementando-se o trabalho que já foi iniciado em Portugal neste domínio. Exemplos disso são os trabalhos de Rangel e Pinho (2009) e Rangel e Pinho (2011), se bem que numa gama de temperaturas diferente da utilizada no presente trabalho. Para tal foram selecionadas quatro espécies vegetais abundantes na região centro do país: azinho (Quercus ilex), eucalipto (Eucalyptus globulus), pinho (Pinus pinaster) e sobreiro (Quercus suber).

O processo de combustão da biomassa pode ser dividido em diferentes fases: secagem, pirólise, gaseificação e combustão. A importância relativa de cada fase depende da tecnologia de combustão utilizada, das propriedades da biomassa e das condições de combustão (Loo e Koppejan, 2008). A fase de combustão pode dividir-se

ainda nas fases de combustão dos voláteis e de combustão do resíduo sólido carbonoso (carvão) a que a biomassa fica reduzida após as três primeiras fases. De acordo com Loo e Koppejan (2008) e Varunkumar et al. (2011), a fase de combustão do carvão é responsável pela maior parcela do tempo de queima total. Apesar de nela se registarem menores taxas de reação do que na fase de combustão dos voláteis, estas são em certa medida compensadas pelo significativamente maior poder calorífico da combustão do carvão.

Assim, o presente estudo vai-se focar nessa fase da combustão correspondente à queima do resíduo sólido carbonoso que resulta da volatilização da biomassa. Por esse motivo os voláteis, que são libertados na fase inicial da combustão, não foram considerados tendo-se procedido à carbonização das madeiras em condições o mais próximas possível das a que estariam sujeitas durante a queima normal em leito fluidizado.

Em relação à queima do carvão vegetal obtido das madeiras, o estudo vai-se concentrar na determinação e análise dos parâmetros controladores da reação de queima do carbono, avaliando a influência de fatores como o tamanho das partículas, a temperatura do leito, o fenómeno de fragmentação das partículas, a forma e a temperatura das partículas.

Esta tese encontra-se estruturada num conjunto de onze capítulos. Neste Capítulo 1 faz-se uma exposição da motivação, propósito e organização do trabalho. No Capítulo 2 apresenta-se o desenvolvimento do modelo de combustão, a teoria de fluidização em duas fases aplicada à determinação da resistência global da combustão e o desenvolvimento da expressão para o cálculo dos tempos de queima. A descrição da instalação laboratorial utilizada é feita no Capítulo 3, assim como a caracterização hidrodinâmica do leito fluidizado e a apresentação dos procedimentos experimentais. No Capítulo 4 apresentam-se os processos de preparação das amostras para serem ensaiadas, desde a recolha das madeiras até às análises das propriedades dos carvões. Em seguida, no Capítulo 5, são apresentados os resultados dos ensaios e são determinados os dados cinéticos e difusivos da queima por dois métodos diferentes. Com estes dados determinam-se os tempos parciais de queima no Capítulo 6, para comparação com os dados experimentais. Neste capítulo é, também, apresentado e comparado um método de determinação dos dados cinéticos e difusivos com base nos tempos de queima.

No Capítulo 7 faz-se a determinação da temperatura das partículas durante a queima. O Capítulo 8 é dedicado ao estudo da influência do fenómeno de fragmentação e da forma das partículas sobre os dados cinéticos e difusivos obtidos no Capítulo 5. Em consequência da observação dos resultados referentes à queima do azinho, dedica-se o Capítulo 9 ao estudo particular deste carvão procurando identificar as causas para o comportamento invulgar que foi detetado. No Capítulo 10 são determinadas, a partir das representações de Arrhenius, as energias de ativação dos carvões e são avaliadas as influências de fatores como a temperatura, a fragmentação e a forma das partículas sobre esse parâmetro. Ainda neste capítulo são apresentadas correlações para a constante da taxa de reação em função da temperatura absoluta das partículas de carvão e é feita uma comparação entre os números de Sherwood determinados a partir dos dados experimentais do presente trabalho e os obtidos por recurso a correlações propostas por diversos estudos científicos. As conclusões e sugestões para futuros trabalhos são apresentadas no Capítulo 11. Por fim complementa-se o trabalho com os anexos referentes à análise imediata dos carvões, às calibrações dos equipamentos de medida utilizados, à análise de incertezas nas medições e à determinação da ordem de reação.