Principais sistemas de combustão

Do ponto de vista técnico os sistemas de combustão mais importantes são de 2 tipos: Leito fixo (grelha) e Leito Fluidificado (LF). Os sistemas LF têm uma velocidade de transporte de gases maior, isto é, a velocidade de mistura de combustível com os gases é superior, fator que determina uma maior eficiência do processo de combustão relativamente aos sistemas de leito fixo (Nussbaumer, 2003). 3.7.1 Leito fixo

Os sistemas de leito fixo são normalmente compostos por uma câmara de combustão que apresenta na base uma grelha sobre a qual são alimentados os combustíveis. Este tipo de sistemas está bem adaptado para biomassa com níveis elevados de humidade, heterogeneidade de tamanho e elevado teor em cinza. É essencial um dimensionamento correto da grelha e do esquema de fornecimento de ar por forma a evitar depósitos e incrustações, operando-se usualmente com elevado excesso de ar. As grelhas podem ser fixas, móveis, oscilantes, rotacionais ou vibratórias. Este tipo de sistema funciona usualmente entre os 900 e os 1200ºC e com excesso de ar entre 10-25 (%m/m) de combustível (Azevedo, 2014).

Nestes sistemas o ar primário passa pela grelha do combustível onde se dá a secagem, pirólise e combustão do carbonizado. As entradas de ar primário e secundário fazem-se abaixo e acima da grelha e a entrada de ar secundário é normalmente maior, tendo em conta que tipicamente a biomassa é muito rica em material volátil e a sua combustão se dá preferencialmente em fase gasosa acima da grelha

Figura 9 – Equipamento de leito fixo (Adaptado de website [4]).

3.7.2 Leito fluidizado

Os sistemas de leito fluidizado permitem uma combustão eficiente e flexível da biomassa e são mais adequados a equipamentos de larga escala. Estes sistemas são normalmente constituídos por uma caixa-de-ar que permite a injeção de ar na zona inferior, um leito constituído por material particulado inerte, uma zona denominada coluna livre onde ocorre parte da combustão em fase gasosa e finalmente por um sistema a jusante que pode incluir: 1) ciclones que permitem a recirculação e recondução da matéria particulada; 2) sistema de recirculação de gases para a caixa-de-ar; 3) câmaras de combustão secundárias; 4) sistemas de recuperação de energia (Lopes, 2002).

Estes sistemas fazem uso de um leito de material particulado, normalmente constituído por areia de sílica, calcário, dolomite ou um outro material não combustível que permita aumentar a área de transferência de calor e ainda manter a inércia térmica do sistema. O leito tem de ser periodicamente removido para limpeza das cinzas acumuladas. Este tipo de sistemas pode ter um arranque demorado (até 15h) na medida em que é necessário aquecer bem o leito para permitir condições ótimas de combustão. Devido ao grande arraste de partículas sólidas necessita de ser equipado com bons sistemas de despoeiramento (Abelha et al., 2012).

O ar primário é injetado através do leito em sentido ascendente, produzindo um leito fluidificado que propicia a interação entre as partículas inertes quentes e o combustível, resultando numa distribuição homogénea da temperatura e em elevadas eficiências de combustão a temperaturas relativamente reduzidas (tipicamente entre os 800 e os 900ºC) (Abelha et al., 2012).

Uma das maiores vantagens destes sistemas é a possibilidade de aditivar o leito com materiais adsorventes ou que reagem com espécies poluentes, como é o caso da utilização de calcário ou dolomine que permitem limitar a produção de SO2. Podem no entanto ocorrer problemas como a forte

erosão nas paredes do sistema devido à abrasão com as matérias inertes do leito, possibilidade de sinterização de material do leito quando exposto a combustíveis problemáticos e ainda a maior emissão de óxido nitroso (N2O) devido às baixas temperaturas de operação (Basu, 2006).

Estes sistemas podem ser classificados em função da velocidade de entrada do ar primário em duas categorias diferentes: Bubbling fluidized-bed (LFB) ou Circulating fluidized-bed (LFC).

As Figuras Figura 10 e 11 apresentam esquemas simplificados de equipamentos de leito fluidizado LFB e LFC, respetivamente.

Figura 10 – Leito Fluidizado Borbulhante (LFB) (Adaptado de website [5]).

Figura 11 – Leito Fluidizado Circulante (LFC) (Adaptado de website [6]).

Num sistema LFB a velocidade de fluidificação do leito é tipicamente mais baixa, entre os 1-3 m/s, e um Excesso de Ar (EA) entre 30% e 40% (%m/m) de combustível. O ar primário representa usualmente 60% do volume de ar e o ar secundário os restantes 40%. Este sistema funciona com o leito a uma temperatura entre 600ºC e 850ºC e uma temperatura do freeboard entre 800ºC e os 950ºC (Basu, 2006; Abelha et al., 2012).

Um sistema LFC, tal como o nome indica, permite que tanto o leito como as partículas de combustível circulem a uma velocidade de fluidização mais alta (5-10 m/s), o que aumenta a eficiência da combustão relativamente a um LFB (Quaak, 1999). Entre 50 a 70% do fluxo de ar primário é introduzido através da caixa-de-ar na zona inferior do leito e o restante é injetado mais acima na câmara de combustão (Abelha et al., 2012). O material particulado circulante é separado do fluxo de gases em ciclones, voltando posteriormente ao reator, um processo onde podem ocorrer algumas perdas do leito. Um LFC funciona tipicamente com temperaturas entre os 780ºC e os 930ºC e um EA

Relativamente ao LFB, a tecnologia LFC implica tipicamente um investimento maior e tem alguns problemas, nomeadamente ao nível da perda de material do leito e à necessidade de partículas de combustível menores (custos de pré-tratamento). O LFB está muito bem adaptado à combustão de biomassas com um elevado teor de humidade (50-60%), mas o LFC é uma tecnologia de maior eficiência e da qual resulta um menor volume de gases de combustão (menor excesso de ar) (Abelha et

al., 2012).

3.7.3 Aplicações domésticas e comerciais

As configurações dos sistemas de combustão descritos nos capítulos 3.7.1 e 3.7.2 são usualmente utilizados em aplicações de caráter industrial, muitas vezes para a produção de calor e/ou eletricidade em larga escala. Atualmente na Europa existe um segmento em forte crescimento de aplicações domésticas e comerciais de sistemas de combustão de biomassa, nomeadamente sob forma de pellets, que constitui atualmente uma forte alternativa a sistemas convencionais de climatização ou aquecimento de águas sanitárias alimentados a diesel ou gás natural.

De facto, a AEBIOM prevê um crescimento do consumo de pellets na Europa da ordem dos 2,5Mtep/ano em 2008 para um valor máximo de 32Mtep/ano em 2020 (AEBIOM, 2012), o que equivale a um consumo entre 50 a 80 milhões de toneladas em 2020. Em Portugal os últimos dados disponíveis (ENPLUS – PellCert, 2011) apontam para um consumo de 50 000 toneladas de pellets em 2010, um mercado que tem crescido desde 2006, apesar da crise económica, e que representava em 2011 um volume de negócio de 85M€.

Este tipo de aplicações caracteriza-se pela sua adaptabilidade, permitindo soluções de climatização e de aquecimento de águas sanitárias, servindo tanto residências como espaços comerciais, edifícios de escritório, escolas, entre outros. As suas configurações são diversas, existindo atualmente no mercado sistemas de grande complexidade e diferentes valências, que podem inclusivamente possuir configurações equivalentes às de LFC ou LFB (aplicações de média/grande escala). No entanto, os sistemas mais usuais possuem configurações mais simples, normalmente de leito fixo como o apresentado no esquema da Figura 12.

Figura 12 – Caldeira doméstica a pellets (Adaptado de website [7]).

Apesar da enorme variedade de sistemas disponíveis no mercado, é mais comum encontrar-se sistemas integrados que possuem a câmara de alimentação e a câmara de combustão juntos num mesmo equipamento. Alguns sistemas possuem também uma caldeira integrada para aquecimento de águas sanitárias, o que permite uma economia de espaço e o aumento da eficiência de conversão do sistema, que pode chegar aos 90%, devido ao seu formato mais compacto (Hansen, 2002; Prestenergia, 2007).