Determinação do índice de combustibilidade em diferentes reatores

De um modo geral, a eficiência de combustão é definida como a relação entre a massa de carvão consumida pela massa de carvão que foi alimentada. Entretanto, durante a passagem do carvão através do reator, parte da massa que é alimentada pode ser retida nas paredes do equipamento (KOBAYASHI, 1976), o que torna a determinação da eficiência de combustão pelo simples balanço mássico sujeito a erros. Assim, fez-se necessário o desenvolvimento de alternativas, que permitam estabelecer, mesmo que indiretamente, a eficiência de combustão.

Os métodos utilizados dependem de uma gama de fatores, como geometria do reator, condições de operação (temperatura e fluxo de gases) e disponibilidade de equipamentos para análise das amostras coletadas durante os experimentos. As técnicas utilizadas podem envolver o uso de métodos traçadores nos resíduos sólidos (char) da combustão, análise dos gases, a partir do desenvolvimento de relações específicas que leve em conta a composição do gás de combustão, dos resíduos sólidos e das condições operacionais do reator utilizado no teste ou até mesmo através da contagem de partículas com auxílio da microscopia óptica. Conforme apresentado na descrição dos equipamentos no item 3.3.2.

Os métodos traçadores, em razão da sua simplicidade, são muito utilizados na determinação indireta da eficiência de combustão. Estes métodos consistem no cálculo da proporção da perda de massa do combustível sólido a partir de uma característica desse combustível que permaneça constante ao longo do processo de combustão. Comumente utiliza-se as cinzas do carvão e do char como parâmetro para o cálculo. A dedução da fórmula do burnout é descrita a seguir:

Considerando que durante a passagem da amostra através do reator, seja na pirólise ou na combustão, a perda de massa durante o processo seria determinada segundo a Equação (3.6):

𝛥𝑚 = 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜− 𝑚𝑐ℎ𝑎𝑟 (3.6)

Onde mcarvão é a massa de carvão que entra no reator e mchar é a massa de char

𝐸𝐶 (%) =𝑚𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜− 𝑚𝑐ℎ𝑎𝑟 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜

× 100 = [1 − 𝑚𝑐ℎ𝑎𝑟 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜

] × 100 (3.7)

Em razão da dificuldade em coletar toda a amostra que passa através do reator, assume-se que durante o processo a massa de cinza permanece constante, temos então que:

𝑚_{𝐶𝑖𝑛𝑧𝑎(𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜)}= 𝑚_{𝐶𝑖𝑛𝑧𝑎(𝑐ℎ𝑎𝑟)} (3.8)

Logo,

𝑚_{𝑐𝑖𝑛𝑧𝑎(𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜)} = %𝐶𝑧_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜}× 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜} (3.9)

𝑚_{𝑐𝑖𝑛𝑧𝑎(𝑐ℎ𝑎𝑟)} = %𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟}× 𝑚_{𝑐ℎ𝑎𝑟} (3.10)

Onde %Czcarvão é o teor de cinzas do carvão e %Czchar é o teor de cinzas no char.

Substituindo a Equação (3.9) e Equação (3.10) na Equação (3.8), temos:

𝑚_{𝑐ℎ𝑎𝑟} 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜} =

%𝐶𝑧_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜}

%𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟} (3.11)

Substituindo a Equação (3.11) na Equação (3.7), temos:

𝐸𝐶 (%) = [1 −%𝐶𝑧𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜

%𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟} ] × 100 (3.12)

A Equação (3.12) expressa a eficiência de combustão em termos do balanço total da massa da amostra que é consumido no processo. Para expressar a eficiência de combustão apenas como uma variação do material combustível (base seca isenta

de cinzas), considera-se a eficiência de combustão da Equação (3.7) como função da massa de material combustível do char e do carvão segundo a Equação (3.13):

𝐸𝐶(%) = [1 − 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙(𝑐ℎ𝑎𝑟)

𝑚_{𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙(𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜)}] × 100 (3.13)

Reescrevendo mcombustível(char) e mcombustível(carvão) segundo a Equação (3.14) e

Equação (3.15):

𝑚_{𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙(𝑐ℎ𝑎𝑟)} = 𝑚_{𝑐ℎ𝑎𝑟} × (100 − %𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟}) (3.14)

𝑚_{𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙(𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜)} = 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜}× (100 − %𝐶𝑧_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜}) (3.15)

Temos que a eficiência de combustão, também denominada burnout13_{, é dada} pela Equação (3.16):

𝐵𝑢𝑟𝑛𝑜𝑢𝑡 (%) = [1 − ( %𝐶𝑧𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜

100 − 𝐶𝑧_{𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜}) × (

100 − %𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟}

%𝐶𝑧_{𝑐ℎ𝑎𝑟} )] × 100 (3.16)

O uso da Equação (3.12) e Equação (3.16) pressupõe que durante o processo de combustão não há variações na massa da cinza. Entretanto, em processos de elevadas temperaturas, as cinzas podem sofrer transformações, condensação ou vaporizar, introduzindo erros na medida (KOBAYASHI, 1976). Além do problema da instabilidade da matéria mineral na combustão, outras limitações inerente a este método podem ser listadas, como a capacidade limitada do sistema de coleta das amostras de reter fisicamente partículas muito finas, o que tende a subestimar os resultados (KOBAYASHI, 1976; BABICH; SENK; BORN, 2014), a capacidade do sistema de coleta em cessar a conversão do char imediatamente à sua retenção (SUZUKI et al., 1984b) e o problema de resolução do método para combustíveis com

13 _{Eficiência de queima da matéria orgânica presente no carvão, também denominada de eficiência de}

teores de cinzas muito baixo (GIBBINS; WILLIAMSON, 1998). Nos casos em que os testes envolvem carvões com teores de cinzas muito baixos a dispersão dos resultados tende a aumentar em função de erros analíticos associados ao método de determinação do teor de cinzas do carvão e do char (BADZIOCH; HAWKSLEY, 1970). A Figura 3.29 apresenta a relação entre os burnouts obtidos a partir da Equação 3.23 para carvões com diferentes teores de cinzas em função da variação possível dos teores de cinzas dos seus chars. É possível observar que para os carvões A e B, com teores de cinzas de 1 e 5%, respectivamente, uma pequena variação na medição do teor de cinzas dos chars está relacionado a uma grande variação no burnout. Gibbins e Williamson (1998) afirmam que a resolução desta técnica é satisfatória em carvões com teores de cinzas superiores a 10%.

Figura 3.29 – Curvas de burnout em função do teor de cinzas dos chars para carvões com diferentes teores de cinzas.

Além das cinzas, outros estudos empregaram o uso de diferentes elementos traçadores ou optaram pela adição de mais elementos ao método convencional. Suzuki et al. (1984a) em testes em um simulador de PCI, compararam os resultados do uso das cinzas como elemento traçador com o método traçador por titânio. Nesse estudo foi observado que as diferenças entre os métodos variam com o carvão e que o método traçador por titânio apresentou sempre burnouts mais elevados devido à maior estabilidade dos óxidos de titânio em relação as cinzas dos carvões,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 B urnout ( %) Cinzas do char (%, bs) Carvão A - 1% Cz Carvão B - 5% Cz Carvão C - 10% Cz Carvão D - 15% Cz

principalmente sob temperaturas mais elevadas. De Girolamo et al. (2017) em testes no DTF empregaram uma relação que leva em consideração o balanço de cinzas e de massas alimentadas e coletadas, assumindo que a massa das cinzas se conserva durante o processo. Outros estudos em simuladores de PCI e DTF envolveram o uso conjugado do teor de cinzas e de carbono como elementos traçadores (YAMAGATA et al., 1992; BABICH; SENK; BORN, 2014; UEKI; YOSHIIE; NARUSE, 2015).

Uma alternativa ao método traçador é a determinação da eficiência de combustão através da análise dos gases. A combustibilidade de um dado combustível pode ser realizada a partir da relação entre a composição dos gases gerados (CO, CO2, CH4, H2 e O2) com o potencial teórico de geração de CO2 do carvão (VAMVUKA;

SCHWANEKAMP; GUDENAU, 1996; MACHADO et al., 2010), calculado com base apenas na produção de CO2 (SUZUKI; UEHARA; AKEDO, 1990) ou através do grau

de consumo de oxigênio no processo (SUZUKI et al., 1984b). Suzuki et al. (1984a) avaliaram que a determinação da eficiência de combustão a partir da análise dos gases é um método mais simples e mais eficiente do que o método traçador por cinzas, além de ter a vantagem de poder ser empregado para qualquer tipo de combustível, o que permite a execução de testes de combustíveis alternativos..

Babich, Senk e Born (2014), em um simulador de injeção contínua, compararam o método de determinação da eficiência de combustão a partir dos gases com dois métodos traçadores, um por cinzas e o outro por cinzas e carbono. Os métodos traçadores indicaram burnouts mais baixos do que a eficiência de combustão calculada a partir da análise dos gases. Esse comportamento foi atribuído à limitação do sistema de filtragem não ser capaz de reter as partículas muito finas. Entretanto, apesar da diferença, segundo os autores, esse erro não afeta os resultados em termos do comportamento relativo dos parâmetros testados.

4 MATERIAIS E MÉTODOS