Indicadores de concentração de elementos

Este método de previsão de comportamentos baseia-se nos trabalhos de Obernberger (1997, 2006), que sintetizou os principais limites máximos de concentração de alguns elementos importantes na biomassa e na cinza, que permitem uma combustão livre de problemas.

A Tabela 16, baseada em trabalhos de Obernberger (1997; 2006; 2010), indica alguns valores de concentração limite dos principais elementos presentes nas biomassas que podem provocar problemas relacionados com as cinzas, ou outros fenómenos indesejados, e respetivas técnicas de controlo.

Tabela 16 - Valores de referência de concentração de elementos em biomassa para uma combustão não problemática (Adaptado de Obernberger, 1997).

Elemento Concentração %

(bs) Efeito Biomassas problemáticas Técnicas a aplicar N (base biomassa

bs) <0.6 Emissões NOx Palha, cereais, ervas

Medidas primárias: controlo de ar de combustão; câmara de

redução.

Cl (base biomassa

bs) <0.1 Corrosão e emissão de HCl Palha, cereais, ervas

Contra corrosão: controlo de temperatura, limpeza da caldeira, revestimento das tubagens. Contra emissão de

HCl: sorção seca S

(base biomassa bs)

<0.1 Corrosão Palha, cereais, ervas Contra corrosão: (igual a Cl) Ca

(base cinza bs) 15-35

Baixos pontos de fusão,

slagging Palha, cereais, ervas

Controlo de temperatura na grelha Mg

(base cinza bs) >2.5

Baixos pontos de fusão,

slagging Palha, cereais, ervas (igual a Ca) K

(base cinza bs) <7.0

Baixos pontos de fusão,

slagging, deposição e corrosão Palha, cereais, ervas

Contra corrosão: (igual a Cl); pré-tratamento do combustível

Contra slagging: (igual a Cl); pré-tratamento do combustível Na

(base cinza bs) <0.6

Slagging, deposição e

corrosão Cortiça e estilha de madeira

Contra corrosão: (igual a Cl); pré-tratamento do combustível

Contra slagging: (igual a Ca); pré-tratamento do combustível Zn

(base cinza bs) <0.08

Formação de aerossóis,

reciclagem da cinza Cortiça e estilha de madeira

Separação fracionada de metais pesados

Cd

(base cinza bs) <0.0005

Formação de aerossóis,

reciclagem da cinza Cortiça e estilha de madeira

Separação fracionada de metais pesados

Deve salientar-se que as concentrações de N, Cl e S são referidas na base de biomassa (base seca) e o Ca, Mg, K, Na, Zn e Cd são referidos na base de cinzas da biomassa, pelo que a utilização destes

Segundo Obernberger (1997) a importância de uma reduzida concentração de N no combustível, prende-se com a propensão para a formação de óxidos nítricos (NOX) e com os seus níveis de emissão,

que estão diretamente relacionados com a concentração no combustível.

O mesmo autor considera que é importante que os teores de Cl nas biomassas sejam reduzidas (<0,1% bs) na medida em que passa quase na totalidade para a fase gasosa no decorrer da combustão, formando HCl, Cl2 e cloretos alcalinos. Quando a temperatura dos gases de combustão decresce, a

jusante da câmara de combustão, estes cloretos de elementos alcalinos (e.g de K ou Na) condensam sobre as superfícies do equipamento, onde vão reagir com o fluxo de gases formando sulfatos alcalinos e libertando Cl junto das superfícies supracitadas onde se processa um ataque de efeito corrosivo às ligas metálicas que as compõem. Para além disto, a combustão de uma biomassa rica em Cl pode levar à emissão de HCl, um gás poluente.

A concentração de S na biomassa é um fator importante na medida em que a sua combustão poderá provocar a emissão de compostos gasosos como SO2, SO3 e levar à formação de sulfatos alcalinos.

Obernberger (1997) realça a influência do enxofre (S) nos processos corrosivos, nomeadamente devido aos processos de sulfatação (referidos no capítulo 6.4 desta dissertação).

O autor destaca a importância da concentração de Ca e Mg nas cinzas de biomassa na medida em que estes elementos usualmente têm a capacidade de aumentar as suas temperaturas de fusão. Em sentido inverso, a presença de K e Na diminui essas temperaturas de fusão pois, existindo disponibilidade de Si no sistema ou na biomassa, há tendência para a formação de silicatos de K e Na com baixos pontos de fusão (Obernberger, 1997). Segundo o autor, quanto menores forem as concentrações de K e Na no combustível, menores serão os problemas no decorrer da combustão (Obernberger, 1997).

No que diz respeito às concentrações de Zn e Cd, Obernberger (1997) afirma que a sua concentração tende a ser bastante reduzida em cinzas de biomassa natural. Ainda assim, o facto de se tratar de metais pesados potencialmente tóxicos, quando em elevadas concentrações, pode obrigar a um cuidado muito maior na remoção de cinzas, deposição em aterro ou reutilização.

7.4 Modelação de equilíbrios químicos na combustão de biomassa e cinzas

Uma das mais recentes formas de previsão da ocorrência de comportamentos problemáticos no decorrer da combustão é a modelação/simulação de equilíbrio termodinâmico das reações que ocorrem durante a combustão. O software FactSageTM, que se baseia no princípio da minimização de energia de

Gibas, é muitas vezes usado para este fim e permite simular os compostos e suas fases, presentes a alta

temperatura durante a combustão (Plaza, 2013).

O FactSageTM consiste num programa de cálculo termodinâmico que utiliza bases de dados termodinâmicas de vários compostos de interesse e que permite simular a combustão de biomassa e a

identificar os produtos de reação a diferentes temperaturas, calculando as fases de equilíbrio termodinâmico de um produto que seja submetido a determinadas condições (aumento de temperatura, pressão, etc.), que são definidas pelo utilizador. O FactSageTM é capaz de fornecer um vasto conjunto de fases, estados físicos, proporções e composições de quaisquer compostos submetidos a uma ampla gama de temperaturas, atmosferas e pressões.

Para além de ser possível prever os compostos que se formam, o conhecimento do seu estado físico a altas temperaturas pode revelar indícios da ocorrência de fenómenos problemáticos como o slagging (por exemplo, a identificação de compostos em estado liquido, melt, a uma temperatura definida é uma indicação do seu amolecimento e possível fusão das cinzas).

A utilização de software para a modelação das reações de combustão não está, contudo, livre de algumas limitações. De facto, as principais limitações da utilização do software FactSageTM estão descritas na literatura (Zevenhoven, 2001; Risnes et al,. 2003; Knudsen et al., 2004, entre outros), e foram sintetizados por Teixeira (2012):

 A adequada introdução dos dados de entrada e uma correta seleção das condições a simular é crucial para uma aproximação adequada à realidade. Nem sempre se dispõe de dados exatos, quer para os combustíveis, quer das condições dos sistemas de combustão.

 A forma como a introdução/renovação do ar de combustão é efetuada no sistema de combustão, não é facilmente simulável e pode não corresponder à técnica usada no processo, o que faz com que as atmosferas existentes no interior da câmara de combustão, em cada momento, possam não ter correspondência com as atmosferas modeladas. A combustão por fases em zonas diferentes da mufla não é tida em conta pelo modelo.

 Durante os processos de combustão reais pode não se atingir o equilíbrio termodinâmico que depende de fatores como o grau de mistura, cinética das reações ou o tempo de residência dos reagentes na câmara de combustão. De facto, a simulação pode indicar a formação de compostos e fases estáveis, mas na realidade esse estado de equilíbrio pode não ser atingido.

 O software considera somente as interações químicas que podem ocorrer. Como tal, todos os processos físicos, nomeadamente a adsorção de gases, nucleação, aglomeração de partículas e transporte aerodinâmico nas câmaras não são previstos.

 Uma boa parte dos mecanismos de formação de depósitos nos sistemas de queima resultam de reações secundárias entre os compostos que se vão formando. O software não prevê estas reações.  Sendo um software que recorre à utilização de bases de dados de propriedades de compostos