2 Parte experimental
2.5 Condições de operação
Em função do tipo de combustíveis a utilizar e tendo em atenção as características do equipamento experimental disponível obtida por trabalhos anteriores (Franco et al., 2003 e Franco, 2000) foram definidas as condições experimentais a utilizar, sendo os valores desejados apresentados em seguida.
Nos ensaios de gasificação com misturas de ar e vapor de água foram estudados 3 tipos de misturas de carvão e resíduos:
Misturas de carvão com PE e pinho
Misturas de carvão com bagaço de azeitona Misturas de pinho com PE
2.5.1 Velocidade de fluidização
O comportamento de um sistema gás–sólido em que uma corrente gasosa passa por um leito de partículas sólidas depende, entre outras variáveis, da velocidade superficial do gás. Para garantir boas condições de fluidização do leito é necessário determinar a sua velocidade mínima de fluidização (Umf) a qual pode ser calculada usando a equação (2.1). Os ensaios devem ser planeados assegurando uma velocidade acima daquela valor, para assegurar a existência de condições de fluidização completa do leito. No caso de a velocidade usada não atingir o valor mínimo não é possível assegurar a existência das condições de homogeneização necessárias para permitir um contacto adequado entre as partículas do gás, do leito de areia e do combustível alimentado.
Para velocidades moderadas, superiores à velocidade mínima de fluidização surgem bolhas de gás no interior do leito, atingindo-se uma gama de trabalho relativamente larga em que a perda
de carga não apresenta grandes variações com a velocidade a que se dá o nome de leito fluidizado borbulhante.
Acima do leito existe uma zona livre (“freeboard”) essencial para permitir a separação de partículas sólidas eventualmente arrastadas pelo gás, evitando a sua saída prematura do equipamento. O uso de velocidades excessivas provoca uma redução do tempo de residência no reactor e um aumento da fracção de partículas arrastadas pela corrente gasosa.
A velocidade mínima de fluidização pode ser calculada pela expressão (Geldart,1986 e Souza-Santos, 2004)
Umf =
NRe,mf · μG
dp · ρG (2.1)
onde: Umf Velocidade minima de fluidização
NRe,mf Número de Reynolds em condições de fluidização mínima μG Viscosidade do gás
dp Diâmetro da partícula esférica com volume equivalente ρG Massa específica do gás
em que o número de Reynolds (NRe) pode ser calculado por uma expressão apresentada na equação (2.2) em função do número de Arquimedes (NAr) e dois parâmetros adimensionais (a1 ; a2):
NRe,mf =
(
a12 + a2 × NAr)
½ – a2 (2.2) e o número de Arquimedes (NAr) pode ser calculado por:NAr =
g dp3 ρG
(
ρp – ρG)
μG2 (2.3)
onde: g Constante gravitacional ρp Massa específica da partícula
Tal como se refere em Geldart, 1986, os parâmetros a1 e a2 foram determinados por Wen e Yu, a partir de ensaios de fluidização de diversos sólidos com diferentes tipos de esfericidade, sendo referidos os valores de a1=33,7 e a2=0,0408, valores que foram utilizados neste cálculo.
O caudal mínimo de gases, em g·min-1, pode ser calculado pela expressão (2.4), em que se usa a área do gasificador à altura do leito, que foi dada na tabela (2.1):
No presente trabalho foi usada uma areia de sílica com a referência SP45 com uma densidade de 2500 kg·m-3 e um diâmetro médio de 325 μm. Segundo método de cálculo apresentado em Geldart, 1986, para areia de quartzo, o valor do diâmetro da partícula esférica com volume equivalente pode ser estimado multiplicando o diâmetro médio pelo factor 1,13, resultando um valor de dp=367 μm.
Os cálculos respeitantes à velocidade de fluidização podem ser efectuados em separado considerando o ar e o vapor de água usados como agentes de fluidização. Como temperaturas de cálculo foram escolhidas as temperaturas de 750 e 900ºC, limites da gama usados nos ensaios experimentais. Os valores da densidade e viscosidade destas espécies podem ser calculados facilmente para as referidas temperaturas.
Tabela 2.10 – Determinação das velocidades de fluidização na instalação laboratorial
Ar Vapor de Água Temperatura (ºC, [K]) 750ºC, [1023 K] 900ºC, [1173 K] 750ºC, [1023 K] 900ºC, [1173 K] NAr 230,3 171,5 171,3 111,4 NRe,mf 0,139 0,104 0,104 0,067 Umf (m·s-1) 0,047 0,043 0,052 0,045 SG,mf (g·min-1) 3,73 3,01 2,51 1,89 SG (g·min-1) 4,4 4,4 5,0 5,0 U(m·s-1) 0,055 0,063 0,103 0,118 Uf Umf 1,18 1,46 1,99 2,64
Observando a Tabela 2.10 verifica-se que cada um dos gases usados como agentes de fluidização conduz separadamente a velocidades acima da velocidade mínima. Segundo Souza- Santos, 2004 a velocidade de fluidização recomendada para sistemas de gasificação é cerca do triplo da velocidade mínima. Considerando que a velocidade real de passagem é aditiva, isto é, será proveniente das velocidades combinadas dos caudais de ar e vapor de água, tal como se verifica por exemplo em Sadaka et al., 2002a e 2002b, pode verificar-se que os caudais fornecidos são suficientes para assegurar conjuntamente as condições recomendadas para o processo de gasificação. Assim, à temperatura de 750ºC a razão de velocidades combinada entre o ar e o vapor de água é de 3,17 (1,18+1,99) obtendo-se razões ainda mais elevadas e temperaturas superiores.
Considerando a alimentação conjunta de ar e vapor de água, as velocidades iniciais de passagem no gasificador, corresponderão a cerca de 0,158–0,182 m·s-1, indicando que o tempo de residência dos gases durante os ensaios ficará entre 2,7–3,2 s. Recordando que durante a gasificação ocorre uma produção efectiva de gases, a velocidade de passagem será mais elevada, de que resultará mesmo uma redução nos tempos de residência.
2.5.2 Variáveis operatórias utilizadas na instalação laboratorial
Nas Tabela 2.11 é apresentada a gama de variação das condições experimentais típicas utilizadas na instalação laboratorial para processar misturas de carvão com resíduos de PE, de pinho e de bagaço de azeitona. A maioria dos ensaios foi efectuada com as condições experimentais destacadas na Tabela 2.11. Os valores apresentados são os valores nominais programados para os ensaios. Em todos os gráficos e cálculos apresentados no Capitulo 3 são apresentados os valores efectivamente verificados em cada ensaio experimental.
Tabela 2.11 – Condições comuns aos ensaios de gasificação.
Variável Valores Considerados
Temperatura (ºC) 750–800–830–850–900
Caudal de combustível em base seca
e sem cinzas (gssc·min-1) 5,0–5,4–6,2–7,0–7,6–8,2–8,8 Caudal de vapor (g·min-1) 5,0–6,2–7,0–7,6–8,2–8,8
Caudal de ar (g·min-1) 0,0–4,4–5,5–8,7–13,1
Nas Tabelas 2.12 a 2.14 apresenta-se o conjunto de misturas consideradas nos ensaios de gasificação. A composição das misturas é apresentada em base mássica. Contudo, foi determinado o teor de cinzas de cada mistura produzida, sendo feitos os ajustes no caudal mássico das misturas para um valor seco e sem cinzas (ssc) equivalente. A granulometria dos combustíveis sólidos utilizados estava situada na gama 1,25 – 2,0 mm. Alguns ensaios foram efectuados com carvão de granulometria na gama 0,5 – 1,0 mm.
Todos os ensaios experimentais foram efectuados à pressão atmosférica. Tabela 2.12 – Gama de composições da mistura inicial, para misturas
de carvão com pinho e PE
Componente Percentagem de cada componente na mistura (% m/m)
Carvão 100 85 80 80 80 70 60 60 60 Pinho 0 0 20 0 10 0 40 0 20
PE 0 15 0 20 10 30 0 40 20
Tabela 2.13 – Gama de composições da mistura inicial, para misturas de carvão com bagaço de azeitona
Componente Percentagem de cada componente na mistura (% m/m)
Carvão 100 80 70 60 40 30 20
Tabela 2.14 – Gama de composições da mistura inicial, para misturas de pinho com PE
Componente Percentagem de cada componente na mistura (% m/m)
Pinho 100 90 80 60 40
PE 0 10 20 40 60
2.5.3 Variáveis operatórias utilizadas na instalação de gasificação piloto
Para estudar o efeito de escala foram efectuados alguns ensaios experimentais de gasificação numa instalação designada por instalação piloto, sendo utilizadas condições experimentais iguais ou equivalentes às utilizadas na instalação laboratorial. A gama de variação das variáveis experimentais usadas na instalação piloto é apresentada na Tabela 2.15, onde se pode observar que devido à diferença de escalas, na instalação piloto os caudais foram expressos em kg·h-1, enquanto que na instalação laboratorial os caudais foram expressos em g·min-1.
Tabela 2.15 – Gama de variação das condições experimentais da instalação de gasificação piloto
Temperatura 750 a 900 ºC
Caudal de mistura inicial 4 a 7 kgssc·h-1 66,7 a 116,7 gssc·min-1 Caudal de vapor 2 a 5 kg·h-1 33,3 a 83,3 g·min-1
Caudal de ar 0 a 5 kg·h-1 0 a 83,3 g·min-1 Percentagem de resíduos nas
misturas com carvão 0 a 40 % m/m
As misturas usados nestes ensaios incluiram algumas das misturas de carvão de Puertollano, resíduos de pinho e de PE apresentadas na Tabela 2.12 assim como misturas de carvão de Puertollano com resíduos de bagaço de azeitona apresentadas na Tabela 2.13.