Da leitura da nota introdutória constata-se a necessidade de estudar a combustão de partículas de biomassa em leito fluidizado, particularmente ao nível da compreensão dos mecanismos básicos dos vários estágios de queima dessas partículas no leito. Como se afirmou, o estudo fundamental para a compreensão destes mecanismos que ocorrem na combustão de biomassa tem recebido comparativamente menor atenção. A literatura disponível está focada essencialmente no estudo da queima de combustíveis fósseis.
O propósito deste trabalho é estudar a fase da queima do resíduo sólido carbonoso de biomassa em leito fluidizado borbulhante, com vista à análise dos mecanismos de queima que ocorrem nesta fase e à obtenção de dados cinéticos e difusivos. Para o efeito são usadas amostras de quatro tipos de carvões vegetais nacionais.
O estudo de vários tipos de carvões fundamenta-se na experiência adquirida ao longo de mais de 200 anos, que demonstra claramente que as características da combustão dependem fortemente do tipo de carvão usado (Field et al., 1967; Oka, 2004). Assim sendo, é de todo o interesse possuir estudos sobre a queima da maior variedade possível de partículas de carbono, no sentido de se poder vir a quantificar essa variabilidade. O estudo dos quatro tipos de carvões aqui realizado pretende ser um contributo para esse propósito. A questão de serem considerados carvões nacionais tem a ver com a necessidade de avaliar se estes carvões têm ou não comportamentos característicos devidos à sua proveniência geográfica, dado tratar-se de um produto natural com as inerentes heterogeneidades ao nível da sua composição. A consideração de carvões vegetais portugueses alarga a base de dados de queima disponível.
Introdução
13 Como anteriormente se afirmou, a investigação do fenómeno de fragmentação esteve centrada ao longo de muitos anos no problema do desgaste das partículas e na diminuição do rendimento da combustão devido ao efeito da elutriação de finos não queimados. Actualmente, começa a dar-se importância ao estudo dos fenómenos de fragmentação primária e secundária, e nesse sentido é também propósito deste trabalho avaliar, de forma não exaustiva, estes fenómenos durante a queima de partículas.
Embora a combustão de carvões em leito fluidizado ocorra maioritariamente entre os 800 e 900ºC, no presente estudo trabalhou-se com uma gama de temperaturas mais baixa (600-750ºC) por forma a acentuar-se o controlo cinético da reacção de combustão e ainda fazer sobressair fenómenos que são mitigados quando a reacção se dá a temperaturas mais elevadas. Tal é o caso da queima de finos resultantes da fragmentação que poderá ocorrer no seio do leito fluidizado ou acima deste, assim como a queima de hidrocarbonetos pesados libertados durante a pirólise que ocorre em simultâneo no leito. Ora, para temperaturas do leito elevadas, a queima destas partículas finas (sólidas ou líquidas) dar-se-á simultaneamente com a combustão das partículas em estudo, não havendo a possibilidade de individualizar, na corrente de CO2 à saída do
reactor, a parte inerente à queima das partículas principais e a parte inerente à queima destas partículas acessórias cujo número e tamanho é de difícil quantificação. Operando com o leito a temperaturas mais baixas consegue-se inibir, pelo menos parcialmente, a combustão associada aos finos sólidos e líquidos, particularmente estes últimos como se irá ver, e associar com mais exactidão o CO2 presente nos gases queimados à taxa de
combustão efectiva das partículas principais. Salienta-se que o conceito de partícula líquida que acabou de se empregar está tipicamente ligado à ciência dos escoamentos multifásicos, tal como explicam Clift etal. (1978).
Num trabalho muito recente, Fennell et al. (2007), os autores concluem ser difícil medir com precisão as taxas de combustão de partículas a temperaturas iguais ou superiores a 700ºC, dada a brevidade do tempo de reacção, sugerindo que estudos de cinética sejam levados a cabo a temperaturas inferiores. Põe-se então a questão de se definir até que temperaturas abaixo de 700ºC de deve ir, pelo que no presente trabalho se optou por estudar a gama de 600 a 750ºC.
Quem trabalha no estudo da queima de carvões com altos teores em voláteis, como são os resultantes da carbonização de biomassa, resíduos florestais e agrícolas, e de pneus (Masi et al., 1997), sabe que a gama de temperaturas a que se dará a combustão poderá ser significativamente mais ampla (320 a 850ºC) do que nos casos
extensivamente estudados da queima de carvões minerais ou coque de petróleo. Como tal, o cenário de estudo terá de ser diferente daquele que é adequado aos casos até agora considerados típicos (Masi et al., 1997).
O estudo está estruturado em nove capítulos. Após a introdução e justificação do trabalho desenvolvidas neste Primeiro Capítulo, no Capítulo Dois descreve-se a instalação experimental que serviu de base aos ensaios laboratoriais, faz-se a caracterização geométrica das partículas dos carvões vegetais ensaiados e descreve-se o procedimento experimental adoptado. No Capítulo Três é desenvolvida a teoria da fluidização em duas fases aplicada à determinação da resistência global à queima de partículas, apresentando-se expressões para o cálculo dessas resistências bem como dos tempos de queima das partículas. Seguidamente, no Capítulo Quatro são apresentados e discutidos os resultados da queima de cargas de partículas de carvão comercial de pinheiro manso. No seguimento destes resultados faz-se no Capítulo Cinco o estudo do fenómeno da fragmentação das partículas desse mesmo carvão, recorrendo a várias paragens da queima, com vista à obtenção de elementos para uma análise mais exaustiva dos resultados obtidos. Para complementar a análise a estes resultados, no Capítulo Seis são apresentados e discutidos os dados da queima de carvão de pinheiro manso recarbonizado, com a segunda carbonização feita em laboratório em condições controladas. No Capítulo Sete apresentam-se e analisam-se dados da queima de carvões de sobro (comercial e recarbonizado). Para aferição dos dados experimentais conseguidos, no Capítulo Oito é feita a comparação dos valores dos números de Sherwood e das energias de activação obtidos com os publicados na literatura. São também apresentadas expressões que correlacionam os valores da constante cinética com a temperatura para os carvões comerciais e para os carvões ditos recarbonizados. Avalia-se o efeito da fragmentação primária na constante cinética e determina-se a ordem global da reacção. As conclusões e sugestões para futuros trabalhos são apresentadas no Capítulo Nove.