Problema de instrumentação em gaseificação LFC

O monitoramento e controle de arrasto de partículas em leito gás-sólido frio usando apenas um eletrodo de imersão e campos elétricos AC e DC, pode ser alcançado por Wang e Colver [100]. Contudo, necessita de calibrações e não é compatível com leitos quentes. Wang et al. [101] também mediram os perfis de velocidade de sólidos e o fluxo mássico usando sondas óticas ao longo da coluna de fluidização gás-sólido. Essa técnica é incompatível para medições em leitos quentes industriais.

Makkawi e Wright [102] mediram com precisão, num trecho de coluna fria, a fração de vazios em diversos regimes de fluidização, usando equipamento de tomografia de capacitância elétrica (ECT). Além do alto custo, o equipamento não poderia ser aplicado em leitos quentes devido a interferência do

Página 35 refratário. Já Guo et al. [103], usou o mesmo princípio de medição (capacitância) para estimar o fluxo mássico na alimentação de carvão, já que sempre está frio nas aplicações industriais.

Tebianian et al. [104]comparou diferentes técnicas como PIV, boroscopia, técnicas de emissão radioativa e de pósitrons, para medição do mesmo fluxo de sólidos em leitos gás-sólidos frios. Foi encontrado uma convergência nas medições de instrumentos mais caros com exceção do boroscópio. Castilho et al. [33] mediram, em três pontos imersos ao leito de partículas, séries temporais de pressão diferencial para reconstrução do espaço de estado e avaliação da evolução das invariantes do caos (dimensão de correlação e entropia de Kolmogorov) para diferentes partículas e regimes de fluidização. Em sua análise, foi possível distinguir as velocidades de transição entre regimes de leito borbulhante e turbulento. Este método de quantificar os regimes baseado na análise não linear de séries de pressão, tem apresentado grande potencial para aplicações na industrial.

Como colunas de fluidização quentes geralmente operam com temperaturas altas (800-950ºC), a quantidade e tipos de medidores que suportem tais condições fica reduzida. A instrumentação deve ser capaz de reconstruir o estado de fluidização corrente de um sistema de leito fluidizado, atender as condições operacionais e oferecer baixo custo.

A faixa de medidores de baixo custo é restrita (sensor de pressão e termopares), porém já foram ensaiados em quase todas as funções. Apesar de diversos sensores já terem sido ensaiados em plantas de escala comercial, não foram encontrados relatos de que se tratavam de plantas de leito fluidizado circulante quente, ou seja, não se pode afirmar que soluções de alto custo foram testadas em condições de alta temperatura.

Conforme a Tabela 2, os sensores de pressão e termopares são constantemente utilizados [44] no auxílio de operações de gaseificação de leito fluidizado circulante. Os sensores de pressão conseguem suportar as condições de gaseificação porque estão conectados a uma distância da coluna através de tomadas. O ar, aprisionado nestas tomadas, evita a condução de calor da coluna para o sensor e a superfície lateral da tomada, por convecção natural, mantém a tomada fria. O diâmetro interno da tomada e seu prolongamento devem ser cuidadosamente projetados para evitar, respectivamente, atenuação do sinal de pressão e aquecimento do sensor.

Página 36 Tabela 2 - Técnicas de medição e parâmetros de processo de leito fluidizado aplicável para escalas de bancada (B), piloto (P) e testes em escalas comerciais (C). Adaptador de [54].

Regime de fluxo e estrutura

Caracterização

de partículas Pressão Temperatura

Fração de vazios (ε) Velocidade do gás (U) Velocidade de sólidos (vp) Fluxo de massa sólida (Gs) Custo (R$) Sensor de pressão B, P, C B, P, C B, P, C B, P, C B, P, C Baixo Termopar B, P, C B, P, C Baixo Pirômetro B, P, C Médio Tomadas de sucção B, P B, P, C B, P B, P, C Médio Sondas capacitivas B, P B, P B, P Alto Sondas de fibra ótica B, P, C B, P, C B, P, C B, P B, P, C B, P Alto Espalhamento

laser B B B B Muito Alto LDV/PIV B, P B, P B, P B, P B, P B, P Muito Alto Tomografia B B B, P Muito Alto Traçador

gás/sólidos B B B B, P B, P Alto Observação

por câmeras B, P, C B, P, C B, P, C (IV) B, P, C B, P Alto

Nedeltchev [35] aplicou instrumentação de tomografia computadorizada usando contagem de fótons e densitometria nuclear para reconstrução precisa do sinal de porosidade. Estes métodos não são compatíveis com leitos quentes.

É comum registrar flutuações nas séries temporais de pressão estática ou diferencial durante uma operação de leito fluidizado circulante devido a interação fluido-partícula. A Figura 15 apresenta uma série de dados temporais de uma coluna semi-industrial de gaseificação LFC de 0,8 m de diâmetro interno e 12 m de altura operando em regime fluidizado. É fato que as flutuações mudam (amplitude e frequência) conforme o regime de fluidização. A taxa de amostragem precisa ser definida corretamente para alcançar quantidades de dados suficientes para a avaliação estatística. Contudo, é importante avaliar se a flutuação é fruto da interação fluido-partícula ou de ruídos espúrios.

Fica evidente no comparativo entre a Figura 15 e Figura 16 que a média do sinal pressão foi deslocada quando o regime de fluidização foi alterado do borbulhante (Figura 16) para, talvez, o turbulento (Figura 15). Um visor, localizado na base da coluna, permitiu a confirmação do regime borbulhante. Contudo, não foi tão simples distinguir, qualitativamente, entre os regimes globais turbulento, rápido e de transporte, a partir de visores locais da unidade ensaiada. Portanto, diferenciar regimes de fluidização a partir da análise de flutuações locais é um problema de engenharia.

Página 37 Figura 15 – Flutuações de dados de um gaseificador de leito fluidizado circulante real, com diâmetro interno de coluna de 0,8 m e altura de 12 m, operando em leito fluidizado e taxa de amostragem de 1 s.

A avaliação prévia dos dados da Figura 15 e Figura 16 indicam variações na média, desvio padrão e distribuição do espectro de frequência. A flutuação do sinal de pressão também depende da posição dos medidores na coluna. A medição do sinal de pressão estática da Figura 15 e da Figura 16 foi instalado na região de base. Diferente dos dados da base, medições preliminares nas regiões do meio e do topo indicaram amplitudes menores.

Figura 16 - Flutuações de pressão estática, na base, de um gaseificador de leito fluidizado circulante real, com diâmetro interno de coluna de 0,8 m e altura de 12 m, operando em leito borbulhante e taxa de amostragem de 1 s.

Página 38 A medição de pressão pode ajudar na inferência do regime de fluidização através das metodologias correntes. Contudo, os parâmetros avaliados por estas metodologias, não são suficientes para realizar previsões precisas quanto o regime de fluidização. A Figura 17 apresenta uma fonte de imprecisões do método baseado na queda de pressão local. Trechos muito grandes podem fazer diferentes tipos de partículas proporcionar pressões diferenciais por unidade comprimento próximas, conduzindo, erroneamente, a porosidades médias iguais. Portanto, mesmo que a porosidade média local instalada convirja para a porosidade média específica, não é condição suficiente para classificar um regime de fluidização.

Figura 17 - Problema dos múltiplos padrões de escoamento gás-sólidos que conduzem a mesma diferença de pressão, se a distância, L, não for devidamente dimensionada.

A precisão da caracterização convencional de leito fluidizado está intimamente associada com o custo de instrumentação. Portanto, o estudo de novas abordagens, aplicados a instrumentação de baixo, tem motivado a aplicação de novas técnicas de processamento de dados capaz de extrair informações robustas e permitir a quantificação dos regimes de fluidização.