De forma a se poder minimizar a formação de depósitos nos reatores de LF é essencial compreender os mecanismos associados à formação de cinzas, i.e., à fração inorgânica das
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Página 32 Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência partículas de combustível que resta após a combustão (Valmari et al., 1999a), e a interação das
cinzas com o material do leito e/ou aditivos.
Nos sistemas de LF, as cinzas dividem-se essencialmente em dois grupos: as cinzas do leito (granulometria grosseira) e as cinzas volantes (granulometria fina). Salienta-se que as cinzas volantes, consoante a granulometria, podem ser capturadas em ciclones (cinzas volantes de ciclone) ou outros sistemas de despoeiramento (ex. precipitadores electroestáticos e/ou filtros de manga). Dependendo da eficiência do despoeiramento, há cinzas volantes que podem acompanhar os gases de exaustão pela chaminé. Estas cinzas são normalmente denominadas de matéria particulada (MP) e podem ser amostradas com sondas isocinéticas. A granulometria dos dois grupos de cinzas irá depender do tipo de combustível utilizado, temperatura e das características e condições operatórias da instalação de LF (por exemplo, se é um LF circulante ou borbulhante).
Além dos parâmetros indicados anteriormente, a granulometria das cinzas de leito (CL) é fortemente dependente da granulometria do material do leito utilizado, sendo identificadas na literatura diferentes gamas, nomeadamente, entre 1-100 µm (Zevenhoven-Onderwater, 2001), entre 1-200 µm (Doshi et al., 2009) e entre 100-300 µm (Coda, 2004).
Habitualmente, as partículas de cinzas volantes (CV) apresentam uma distribuição bimodal que depende do combustível e sistema de combustão (Lopes et al., 2009). A fração de cinzas volantes de maior diâmetro (fração mássica superior a 90 %) é constituída essencialmente por minerais incluídos, contaminantes do combustível e material do leito que é arrastado pelo fluxo de gases proveniente do leito. A fração de cinzas de menor diâmetro, presente em menor quantidade, forma-se essencialmente devido à condensação de material volatilizado. Tal como no caso das CL, o diâmetro das CV depende de diversos parâmetros, por isso estão descritos diferentes valores na literatura.Zevenhoven-Onderwater (2001) define que as partículas de CV de maior diâmetro são superiores a 0,2 µm e as de menor diâmetro variam entre 0,01-0,2 µm, enquanto que Coda (2004) define que as CV de maior diâmetro variam entre 10-100 µm e as de menor diâmetro são inferiores a 10 µm.
Os elementos inorgânicos presentes numa partícula de combustível, na forma de sais ou ligados à matéria orgânica, libertam-se da partícula assim que termina a fase de secagem e aquecimento da partícula e se inicia a desvolatilização. Durante a desvolatilização ocorre a libertação dos elementos voláteis, juntamente com os gases resultantes da combustão, ou seja, ocorre a
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biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência
volatilização. Uma vez que alguns combustíveis (ex. biomassa) são muitos reativos, pode igualmente ocorrer a libertação por transporte convectivo de alguns elementos não voláteis, às temperaturas de combustão habitualmente utilizadas num LF. A formação de cinzas volantes pode ocorrer devido a nucleação homogénea, após transporte convectivo ou volatilização, ou por condensação heterógena, após volatilização (Zevenhoven-Onderwater, 2001).
A nucleação homogénea ocorre devido à sobressaturação dos gases. Quando a pressão parcial das espécies é superior à pressão de saturação das mesmas, as espécies transportadas pelos gases começam a convergir para formar uma nova fase, sólida ou líquida, sem o auxílio de uma superfície, podendo dar-se o crescimento das partículas através do núcleo (Doshi et al., 2009). Este mecanismo é potenciado pela elevada presença de vapores inorgânicos no fluxo de gases (sobressaturação), assim como pela difusão dos vapores de regiões quentes e com atmosfera redutora (junto da superfície do resíduo carbonoso) para regiões mais frias e com atmosfera oxidante (Zevenhoven-Onderwater, 2001; Loo e Koppejan, 2008). A colisão e coalescência entre partículas formadas por nucleação pode originar a formação de partículas de cinza de maior dimensão, mecanismo este designado por coagulação, mantendo-se a massa total de partículas, mas alterando-se a forma de distribuição e tamanho das mesmas (Coda, 2004). Quando as partículas formadas por colisão e coalescência apresentam uma forma irregular, o termo aglomeração pode ser usado em substituição de coagulação (Doshi et al., 2009).
A condensação heterogénea ocorre quando as espécies presentes no estado gasoso condensam na superfície de partículas da mesma espécie, espécies diferentes ou inclusivamente nas paredes internas ou condutas do reator. É frequente ocorrer condensação sob as partículas formadas por nucleação homogénea, ou no caso do LF, sob o próprio material do leito. Uma vez que a energia livre de Gibbs requerida para que ocorra nucleação homogénea é superior à requerida para que ocorra condensação heterogénea, o último mecanismo é habitualmente mais frequente (Doshi et al., 2009).
As cinzas do leito (CL), para além de incluírem o material usado como leito, são constituídas essencialmente pelos minerais incluídos e excluídos das partículas de combustível. Além da condensação heterogénea de voláteis sob cinzas e material do leito, os mecanismos que determinam a formação do cinzas de leito incluem a fragmentação primária, secundária, coalescência de minerais e atrito (Zevenhoven-Onderwater, 2001; Coda, 2004).
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Página 34 Estudo da formação de depósitos e aglomeração de cinzas durante a combustão de biomassa em leito fluidizado e co-combustão com carvão para minimizar a sua ocorrência A fragmentação primária pode ocorrer durante a secagem e a desvolatilização, uma vez que a mudança de fase das espécies aumenta a pressão no interior da partícula originando fissuras, e inclusivamente a rutura da mesma. Este mecanismo é mais pronunciado no caso da biomassa em que o teor em MV é mais elevado. A fragmentação secundária é habitualmente associada à rutura da estrutura do resíduo carbonoso.
A coalescência de minerais (ou sinterização) ocorre durante a combustão do resíduo carbonoso. Na presença de temperaturas elevadas, os minerais incluídos no resíduo carbonoso fundem ou amolecem, o que facilita a coalescência e aumento do tamanho das partículas de cinzas do leito.
No caso do LF, devido ao elevado contacto entre partículas de combustível e material do leito, o atrito ou fragmentação mecânica, tal como a temperatura das partículas, é um mecanismo que influencia a granulometria das partículas formadas (Coda, 2004). Devido ao desgaste abrasivo das partículas no leito ocorre a fragmentação e libertação de partículas finas, que são mais facilmente transportadas pelos gases de combustão e contribuem para a formação de cinzas volantes. Este fenómeno é especialmente relevante no caso dos combustíveis com elevados teores em MV, na medida em que estes estão associados à formação de resíduos carbonosos muito porosos, friáveis e partículas de dimensão reduzida. Os mecanismos de formação de cinzas em sistemas de LF estão esquematizados na Figura 3.1.
Figura 3.1. Mecanismos de formação de cinzas em sistemas de leito fluidizado (adaptado de Zevenhoven- Onderwater, 2001; Coda, 2004; Doshi et al., 2009)
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Os mecanismos de formação de cinzas do carvão (Benson et al., 1995) são iguais aos da biomassa. No entanto, uma vez que a composição química e associação dos elementos inorgânicos em ambos os combustíveis difere consideravelmente, alguns mecanismos são mais pronunciados do que outros. Por exemplo, na biomassa, devido ao elevado teor de MV, a vaporização e o transporte convectivo são mais relevantes do que no carvão.