Caracterização da emissão de partículas

Tal como analisado nos Capítulos 4 e 6, a emissão de partículas é um aspecto fundamental para a conformidade legal na operação destes sistemas. O conhecimento das características e concentração de partículas à saída da caldeira condiciona o dimensionamento dos sistemas de tratamento de elfuentes gasosos a jusante (multiciclone e filtro de mangas). Além disso, a aferição do teor de inqueimados nas cinzas, que para efeitos do balanço mássico e energético e do dimensionamento desenvolvidos no Capítulo 5 se considerou nulo, é relevante pelo seu impacte na eficiência térmica do sistema e no volume de cinzas produzido.

Neste âmbito salientam-se os seguintes aspectos:

• Caracterização fisico-química das cinzas de combustão, nomeadamente do seu teor de inqueimados;

• Caracterização da concentração e distribuição granulométrica das partículas a jusante e a montante do multiciclone.

9 C

A viabilidade da combustão de biomassa como fonte de energia para produção de calor é condicionada por todas as etapas da sua cadeia de valorização, desde a obtenção das matérias-primas até à eficiência e custos da tecnologia final para a sua conversão energética. O conhecimento das características dos combustíveis, o dimensionamento dos componentes dos equipamentos de conversão energética, o controlo das condições de operação e o tratamento dos respectivos efluentes gasosos são aspectos fundamentais para a viabilidade desse processo.

Relativamente aos sistemas e tecnologias de conversão energética de biomassa para uma gama de potência intermédia (utilização industrial, em serviços ou aplicações comunitárias) foi identificada uma necessidade de optimização e adaptação aos requisitos de eficiência e controlo dos níveis de emissão de poluentes que maximize o seu potencial de utilização e minimize os impactes ambientais associados (especificamente nos equipamentos produzidos pela empresa Ventil). O dimensionamento desenvolvido e os resultados obtidos permitiram estabelecer as principais especificações de uma instalação à escala piloto para conversão de energia térmica a partir de biomassa, considerando um processo de combustão de estilha seca numa caldeira vertical, com uma potência térmica nominal de 581 kW (500.000 kcal·h-1_). Os sistemas de tratamento de efluentes gasosos (multiciclone e filtro de mangas) foram igualmente dimensionados para essa instalação, bem como os principais sistemas complementares (sistema de armazenagem de biomassa, ventilador e chaminé).

O dimensionamento desenvolvido teve como objectivo permitir obter uma instalação que possa operar numa gama alargada de condições (com principal relevância dada à variação do parâmetro do excesso de ar), de forma a permitir a realização de experiências de caracterização e optimização das condições de operação, do tratamento de efluentes gasosos e o desenvolvimento de sistemas de controlo do processo de combustão adaptados à especificidade da tecnologia e combustíveis utilizados. Este trabalho também pretendeu contribuir para a sistematização das questões envolvidas no processo de produção de energia térmica a partir de biomassa na gama de potência referida. Para tal, o dimensionamento do sistema foi precedido de uma revisão bibliográfica relativa às principais características dos vários tipos de biomassa em causa, tecnologias de combustão, mecanismos de formação dos poluentes mais relevantes e enquadramento dos principais requisitos legais aplicáveis. Todos estes aspectos

condicionaram as opções consideradas no dimensionamento do sistema. Também foi caracterizado um tipo específico de tecnologia de combustão actualmente em utilização (caso de estudo: equipamentos Ventil) com a quantificação de alguns dos seus parâmetros de operação, igualmente relevantes para o trabalho desenvolvido (carga térmica, temperaturas de superfície das paredes exteriores da caldeira, número de ciclones do multiciclone,...).

O sistema foi dimensionado tendo por base o balanço mássico e energético bem como os parâmetros cinéticos associados à oxidação do CO. Os resultados do dimensionamento dos diversos componentes foram apresentados e discutidos nos Capítulos 5, 6 e 7. No entanto, salientam-se alguns aspectos significativos associados à análise global dos resultados:

1. O objectivo de utilização da instalação à escala piloto implica a variação das condições de operação de forma a analisar o seu comportamento numa gama alargada de condições. Assim, todos os componentes do sistema foram dimensionados de forma a que o seu funcionamento individual consiga responder às variações associadas ao funcionamento do sistema completo. De uma forma genérica, espera-se que todos os componentes mantenham um funcionamento adequado numa gama de condições de operação reflectida pela variação de z entre 0,75 e 1,75, ao que corresponde uma variação significativa do caudal volumétrico dos gases de combustão.

2. Para alguns dos dados de projecto, não existem extensas fontes de informação de referência. Para outros, apenas existem fontes de informação mais adequadas a outro tipo de tecnologias de combustão (leito fluidizado, combustão em grelha móvel para sistemas de elevada potência, sistemas de co-combustão de biomassa...). Este facto motivou algumas considerações e aproximações nos cálculos efectuados, o que apenas reforça a necessidade já identificada de uma contínua investigação aplicada nesta área, bem como a relevância dos resultados que podem vir a ser obtidos com a instalação à escala piloto dimensionada neste trabalho.

3. Para as tecnologias de combustão actualmente em utilização, nomeadamente as fornalhas e multiciclones do caso de estudo, foi identificado um conjunto de oportunidades de optimização imediata e necessidades de desenvolvimento tecnológico (Capítulo 8).

4. A temperatura do interior das câmaras de combustão tem uma influência significativa nos parâmetros cinéticos de oxidação do CO (com uma influência semelhante na oxidação dos COV, PAH, PCDD/F, resíduo carbonáceo das partículas,...), sendo este um dos parâmetros de operação mais relevantes a analisar no sistema piloto.

5. A influência da variação do excesso de ar e da sua distribuição na variação da temperatura no interior das câmaras de combustão será igualmente um aspecto fundamental na análise do sistema à escala piloto. O excesso de ar assume igual relevância associada à eficiência térmica do sistema e a distribuição do ar condiciona a emissão de partículas a partir do leito de combustível.

As principais orientações de investigação e desenvolvimento futuro no que se refere à optimização das tecnologias de combustão e tratamento de efluentes gasosos na instalação à escala piloto foram identificados no Capítulo 8. Os resultados deste trabalho serão de grande importância para a sistematização do conhecimento associado aos actuais sistemas de conversão energética de biomassa fabricados pela empresa Ventil e para a actualização e optimização tecnológica destes equipamentos a médio prazo.

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Sítios da internet: http://www.aebiom.org http://www.dre.pt

Anexo A – Propriedades físico-químicas de alguns gases

A.1. Calor específico a pressão constante (Matos, 2001)

’ 0 ∙ 013_{∙ m}13_{ = =+ 3» + »}_{+ 21 »⁄ }_{+ »}2 _m

Tabela A.1 – Capacidade calorífica a pressão constante

coeficientes de regressão gama de validade

a0 a1 a2 a3 a4 Tmin (K) Tmáx (K)

CO2 6,05E+00 1,23E-02 -6,63E-06 -2,22E+04 1,29E-09 200 2000

H2O 7,13E+00 2,04E-03 1,10E-06 1,62E+04 -4,28E-10 200 2000

O2 5,48E+00 4,94E-03 -2,65E-06 2,40E+04 5,48E+00 200 2000

N2 6,35E+00 1,27E-03 3,85E-07 1,46E+04 -2,33E-10 200 2000

SO2 6,46E+00 1,27E-02 -7,78E-06 2,26E+03 1,65E-09 200 2000

A.2. Viscosidade dinâmica (Matos, 2001) Ö ' ∙ 13_{∙ }13_{ = }

=+ 3» + »+ 2»2 m

Tabela A.2 – Viscosidade dinâmica

coeficientes de regressão gama de validade

a0 a1 a2 a3 Tmin (K) Tmáx (K)

CO2 -1,66E-06 6,31E-08 -2,62E-11 5,88E-15 250 1500

H2O -4,20E-06 4,53E-08 -5,07E-12 1,55E-15 400 1500

O2 2,69E-06 6,85E-08 -2,99E-11 7,56E-15 250 1500

N2 3,16E-06 5,62E-08 -2,41E-11 6,14E-15 250 1500

SO2 -3,79E-07 4,65E-08 -7,28E-12 0,00E+00 170 1700

Para o cálculo da viscosidade de uma mistura, utiliza-se a expressão:

μÐÔðôÓ=∑ ö_{∑ ö}÷ø_÷ùúû÷ùúû_÷÷ (Eq. A.1)

, onde yi é a fracção molar, PMi é a massa molecular e µG é a viscosidade dinâmica de cada um