DETALHES DA EXPERIÊNCIA

Os testes de queima foram realizados na instalação de combustão do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro. Em cada um dos sistemas de combustão, para cada espécie arbórea (Quercus pyrenaica, Populus nigra e Fagus sylvatica), foram efetuados vários ensaios (Tabela 2.2), com o intuito de possuir um número representativo de dados que demonstrasse a variabilidade do processo de combustão. Por dia eram efetuadas várias queimas da madeira de uma espécie arbórea usando um dos sistemas de combustão.

Cada ensaio de queima, ou ciclo de combustão, consistia na colocação de um lote de combustível na grelha do sistema de combustão, na queima desse lote e na consequente monitorização das variáveis operacionais (caudal do ar de combustão, massa de combustível, temperatura na câmara de combustão e temperatura do efluente de exaustão à saída da chaminé) e da composição do gás de exaustão, e amostragem do material particulado (Tabela 2.2). Durante cada teste, que durou entre 50 e 90 minutos, dependendo das condições experimentais e da espécie lenhosa, foram queimados cerca de 1.7–2.0 kg de madeira.

Tabela 2.2 – Caracterização das queimas.

Aparelho de

combustão Espécie arbórea

Número de ensaios de queimas Filtros amostrados Parâmetros Monitorizados Amostrados Lareira Q. pyrenaica 4 19 QAC, MC, TCC, TEE, CGE PM2.5 P. nigra 4 17 F. sylvatica 3 7 Recuperador de calor Q. pyrenaica 3 21 P. nigra 3 24 F. sylvatica 3 24

QAC – caudal do ar de combustão; MC – massa de combustível; TCC – temperatura na câmara de combustão; TEE – temperatura do efluente de exaustão; CGE – composição do gás de exaustão (O2, CO2, CO e HCT).

As queimas foram realizadas com arranque a quente, isto é, a câmara de combustão já se

encontrava a uma temperatura de cerca de 100 oC e com uma pequena quantidade de carvão

sobre a grelha (a massa de carvão na grelha era inferior a 10% da massa inicial do lote de combustível), quando se colocou o lote de combustível. Este pré-aquecimento da câmara de combustão era conseguido através da queima de pequenos pedaços do tipo de madeira que iria ser caracterizada posteriormente, de modo a suprimir possíveis emissões de poluentes que não correspondessem à queima da biomassa em estudo mas ao material utilizado para

ignição. De outro modo, este procedimento iria interferir tanto nas amostragens como nas monitorizações efetuadas.

Como eram efetuadas várias queimas seguidas, as variáveis operacionais eram monitorizadas continuamente até ao final de cada queima e a câmara de combustão só era recarregada com um novo lote de combustível quando a temperatura da câmara de combustão e a quantidade de carvão na grelha tivesse alcançado praticamente o valor inicial registado no início da experiência.

A monitorização contínua da massa de combustível na grelha do sistema de combustão foi realizada utilizando uma célula de carga. Esta célula encontra-se acoplada à grelha da câmara de combustão, onde se coloca o material lenhoso, e permite obter a evolução da massa de madeira ao longo do ciclo de combustão.

A medição do caudal de ar admitido à câmara de combustão foi efetuada de um modo distinto para cada sistema de combustão. No recuperador de calor ocorre a admissão de ar na câmara de combustão através de uma pequena conduta (1 na Figura 2.11), acoplada à unidade de depósito das cinzas, abaixo da câmara, onde o ar flui através da grelha em que se encontra a biomassa em combustão. O caudal de ar de combustão foi monitorizado com recurso a um medidor de caudal mássico (2 na Figura 2.11), colocado na conduta. No caso da lareira, e atendendo à sua configuração, é difícil medir o caudal de ar de combustão, dado que tecnicamente é impossível adaptar um medidor de caudal antes de o ar entrar na câmara de combustão. Para ultrapassar este problema, foi efetuada a monitorização da velocidade de escoamento do efluente de exaustão e da temperatura na secção transversal da conduta de exaustão, com recurso a um tubo de Pitot e a um termopar do tipo-K (3 na Figura 2.7), respetivamente. A temperatura foi monitorizada em contínuo e a velocidade foi medida num orifício, que se encontra na conduta (5 na Figura 2.7), várias vezes ao longo de cada ensaio de queima (intervalos de tempo de cinco minutos entre cada medição), para que se pudesse estimar o caudal volúmico de gás que fluía através da conduta e o respetivo rácio de diluição. Em ambos os casos o ar atmosférico foi utilizado como fonte de oxigénio para a combustão.

Parte experimental - amostragem, medição e análise de aerossóis carbonosos

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Figura 2.11 – Recuperador de calor.

Legenda: 1- conduta de entrada de ar; 2- medidor de caudal mássico.

A deslocação do ar atmosférico para a câmara de combustão, em ambos os sistemas de combustão, é provocada por convecção natural, resultante da ascensão dos gases quentes pela chaminé (Calvo et al., 2011c; Calvo et al., 2011d; Duarte, 2011).

O recuperador de calor aquece o ar ambiente através de uma combinação da radiação com a convecção natural e forçada (Tarelho et al., 2011b), enquanto que a lareira produz ar quente apenas através da combinação da radiação com a convecção natural (Calvo et al., 2011d). Ao longo da infraestrutura experimental encontram-se pequenos orifícios onde se procede à monitorização da temperatura, através de termopares tipo-K, durante cada ensaio de queima, de modo a obter a evolução da temperatura de combustão e do efluente de exaustão. Assim, a temperatura foi monitorizada continuamente em locais diferentes: i) na grelha, ii) na câmara de combustão, sensivelmente no centro da secção transversal da câmara, a cerca de 0.20 m acima da grelha, e iii) na chaminé.

A amostragem e monitorização dos gases de exaustão (O2, CO2, CO e HCT) na chaminé eram

realizadas de modo contínuo durante o ciclo de combustão, sendo a amostragem dos gases

efetuada a um caudal de 2 L min-1.

Quando o efluente de exaustão progredia da conduta de exaustão para o túnel de diluição era diluído, sendo os fatores de diluição usados de cerca de 3.5 e 12.8, para a lareira e recuperador de calor, respetivamente.

A amostragem do material particulado do efluente de exaustão era iniciada imediatamente após a colocação do lote de madeira na grelha e cessada assim que a queima da madeira terminava. A colheita do material particulado foi realizada no túnel de diluição, como foi mencionada anteriormente, de forma descontínua devido à elevada concentração de partículas no efluente que conduzia à colmatação do filtro. Por conseguinte, cada ensaio conduzia a um conjunto sequencial de filtros com tempos de amostragem que variaram entre 3 a 30 minutos de acordo com a carga de partículas no efluente. O intervalo de tempo entre a substituição dos filtros foi de aproximadamente 1.5 minutos, tempo este em parte, condicionado pelo arranque do aparelho para nova amostragem. Deste modo, ao longo de cada ciclo de queima foram efetuadas várias amostragens consecutivas, amostrando-se um número total de filtros variável entre os dois e os oito, com um número inferior de filtros para o caso da lareira, devido ao maior caudal de diluição que ocorre neste sistema.

Foram colhidas amostras de partículas do tipo PM2.5 do ar ambiente do laboratório, no início

de cada dia de ensaios, para se quantificarem as concentrações mássicas de partículas e dos constituintes carbonosos (OC e EC) e se corrigirem as concentrações obtidas no túnel de diluição.

2.5. MÉTODOS ANALÍTICOS