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COMBUSTÃO DA BIOMASSA Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro Dept. Engenharia Mecânica da UFMG Março 2012 Introdução A combustão é uma forma eficaz de utilizar madeira como energético. Além da alta taxa de liberação da energia, o processo de combustão deve assegurar a queima completa da madeira e evitar a formação poluentes. Para assegurar a combustão, algumas condições básicas devem ser respeitadas: - Mistura adequada de combustível e oxigênio (ar) na proporção controlada. - A chama, deve transferir parte do calor para o combustível alimentado de modo a assegurar a continuidade do processo de combustão. Durante a combustão de madeira, aproximadamente 80% da energia é liberada na forma de gás e o restante a partir do carvão. É importante compreender que gases se queimam como chamas, que as partículas sólidas somente emitem brilho. Introdução Combustão Direta • As tecnologias de combustão convertem a biomassa em várias formas de energia útil para uso comercial ou industrial: ar quente, água quente, vapor e eletricidade. • A fornalha é a tecnologia de combustão mais simples: - A biomassa queima em uma câmara de combustão - Conversão da biomassa em calor (os gases quentes possuem 85 % da energia químical do combustível) - Uso direto ou indireto de trocadores de calor para usar os gases quentes em ar quente ou água quente ou vapor A combustão da biomassa pode ser dividida em 4 etapas (fases): 1) Secagem: umidade da biomassa se evapora 2) Degaseificação: as matérias voláteis são liberadas da biomassa, 3) Gaseificação: os gases liberados se misturam com o ar e se queimam a altas temperaturas 4) Combustão do carbono residual: O resto da biomassa (principalmente carbono) se queima Introdução Durante a mistura do combustível e ar, é importante para obter um bom contato entre o oxigênio do ar e do combustível. Quanto melhor o contato, mais rápido e mais completa é a combustão. Se o combustível estiver sob a forma de gás, (ex. gás natural), a mistura é ideal, pois são dois substâncias gasosas que podem ser misturados a exatamente na relação desejada. A combustão pode então, ocorrer rapidamente e, assim, o controle é muito rápido, uma vez que pode introduzir mais ou menos combustível. A fim de obter aproximadamente a mesma situação com madeira, pode ser necessário pulverizar a madeira em partículas finas (como a farinha). Estas partículas finas irão seguir os movimentos do ar. Uma boa mistura pode, portanto, ser conseguida, de forma semelhante a combustão de gás ou a chama de óleo. A produção de pó de madeira é muito cara. Na prática, o combustível é assim comercializado em tamanhos variando de toras a chips. Etapas da Combustão Para ocorrer a combustão o combustível (sólido) deve passar por 6 estágios: - Secagem - Secagem - Emissão dos voláteis - Gaseificação e combustão - Ignição dos voláteis - Queima dos voláteis em chama - Extinção da chama dos voláteis - Combustão do carvão residual - Combustão do carvão residual Etapas da Combustão Etapas da Combustão Etapas da Combustão Teoria da Combustão Char 10- 20 % Heat consumption Heat production Char burning Ignition 800 200 - 300 105 Moisture evaporation Pyrolysis Volatiles 80- 90 % O C Char 10- 20 % Heat consumption Heat production Char burning Ignition 800 200 - 300 105 Moisture evaporation Pyrolysis Volatiles 80- 90 % O C COMBUSTÃO DA MADEIRA E PRODUÇÃO DE CALOR @ 100 0C @ 100 - 105 0C @ 225 - 300 0C @ 500 - 600 0C @ 800 - 900 0C Os 3 Parâmetros Importantes: - Tempo - Temperatura - Turbulencia Teoria da Combustão Teoria da Combustão Tamanho do Combustível Quanto maior for a partícula combustível, maior o tempo de combustão. O pó de serra (serragem) queima rapidamente se for atirado em uma chama quente. Se existir um bom contato entre o combustível e o ar, as pequenas partículas se secam rapidamente, geram gases e se queimam, resultando em uma combustão de alta intensidade. Se for colocada uma tora em uma chama quente, levará um longo tempo antes que seja queimado. Isto pode ser comparado a um assado colocado no forno. Embora após uma hora no forno esteja torrada por fora, fica ainda cru no meio. O tamanho do combustível, é de grande importância para o velocidade de combustão. Teor de Umidade O teor de umidade dos combustíveis reduz o Poder Calorífico Inferior, uma vez que parte do a energia vai ser utilizada para evaporação da água. A madeira úmida tem um baixo Poder Calorífico (kJ/kg), e a câmara de combustão deve ser isolada de modo a evitar redução na eficiência e possibilitar um processo de combustão contínuo. A combustão é normalmente realizada em câmaras utilizando revestimentos refratários à volta das paredes, de modo a conservar o calor gerado. A câmara da fornalha dever assim ser projetada para queimar madeira dentro de um certo intervalo de umidade. Com uma umidade acima 55-60% (BU) é muito difícil manter o processo combustão. Teor de Cinzas O combustível contém várias impurezas que não se queimam - cinzas. As cinzas são indesejáveis, pois implicam na necessidade de filtrar os gases de combustão e a eliminação das cinzas e escórias resultantes. Parte das cinzas da madeira são oriundas do solo e areia impregnadas na casca. Uma menor proporção vem dos sais minerais absorvidos durante o crescimento da árvore. As cinzas contém metais pesados, provocando um um efeito ambiental indesejável. Entretanto o teor de metais pesados da madeira é normalmente inferior ao de outros combustíveis sólidos. Nos sistemas de aquecimento com grelha, a teor de cinzas é importante a fim de proteger grelha contra o calor do chamas. O potássio (K) e o sódio (Na) existente nas cinzas podem causar depósitos na unidade da caldeira. O teor de Na e K madeira é normalmente baixo de modo a não provocar problemas nas tecnologias tradicionais. Teor de Voláteis Madeira e outros tipos de biomassa contêm aproximadamente 80% voláteis (% matéria seca). Isto significa que até 80% do peso da madeira será transformado em gases, enquanto o restante será transformado em carvão. Esta é uma razão pela qual um saco de carvão parece leve em comparação com seu volume. O carvão vegetal mantém mais ou menos o volume original da madeira verde, mas perdeu 80% do seu peso. Excesso de Ar Na combustão são formados dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Um combustível precisa de uma determinada quantidade de ar (oxigênio), reagir estequiometricamente (α = 1). Na prática, a combustão deve ser realizada com um excesso de ar maior que 1, uma vez que não é possível alcançar combustão completa com a quantidade de ar estequiométrica. Aspectos Ambientais Além de CO2 e H2O, os produtos da combustão possuem O2, N2 e Ar e uma alta ou baixa quantidade de produtos indesejáveis, tais como CO, hidrocarbonetos, HPA, NOx etc Uma combustão eficiente necessita: • Alta temperatura • Excesso de oxigênio • tempo de combustão • Mistura ar/combustível Isto garante uma baixa emissão de monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos policíclicos poliaromáticos (HPA), e pequena quantidade de carbono não queimado nas cinzas. Infelizmente, estas condições (alta temperatura, alto excesso de ar, longo tempo) estão também diretamente relacionadas com a formação de NOx. Combustão Direta Combustão Direta Combustão Direta Uma Caldeira de Biomassa é uma das tecnologias de combustão direta mais utilizadas, uma vez que a caldeira converte o calor da combustão em vapor. - O vapor pode ser utilizado para calor, energia mecânica ou eletricidade - O vapor na saída da caldeira contém 60 a 85 % da energia da biomassa - Os principais tipos de caldeira a biomassa são: queima em câmara, grelha estacionárias ou rotativas, queimadores de leito fluidizado Queima em Câmara: - consiste de fornalhas, possuindo uma câmara de combustão superior e inferior - A biomassa queima em uma grelha na parte inferior da câmara, liberando os voláteis - Os gases voláteis se queimam na parte superior da câmara -O operador deve parar periodicamente o queimador para remover as cinzas da fornalha refratária e do alimentador inferior. Combustão Direta Queimadores de Leito Fluidizado: - Queimam a biomassa em um leito aquecido de material granular, tal com areia. - injeção de ar no leito cria turbulências, parecendo um líquido em ebulição - As turbulências distribuem e suspendem o combustível - O projeto de um reator de leito fluidizado aumenta a transmissão de calor e permite operação abaixo de 950°C, reduzindo as emissões de NOx - Os reatores de leito fluidizado pode operar com combustíveis com alto teor de cinzas, resíduos agrícolas e lama de esgoto. Combustão Direta Outras Tecnologias Cogeração: - Utilizar uma caldeira para produzir calor e eletricidade. Eficiência de conversão 85% - Para comparação: a geração de eletricidade em um sistema turbina a vapor - gerador possui uma eficiência de conversão de 17 a 25 % • Tecnologia de Turbina a Gás de Queima Direta: - O pre-tratamento do combustível reduz a biomassa em partículas de dimensões inferiores a 2 mm e teor de umidade inferior a 25 % - O combustível é queimado com ar comprimido em uma turbina a gás que gera eletricidade • Co-Combustão: - A biomassa é utilizada como combustível secundário, i.e. em plantas de queima de carvão (mineral) - Pode ajudar a reduzir as emissões de NOx e SO2 - Diminui as emissões de carbono da planta (se a biomassa for originária de uma fonte sustentável) Outras Tecnologias Pirólise e gaseificação • Gaseificação de combustíveis sólidos biológicos: - fonte de energia gasosa (gás pobre, gás de água) pela conversão de combustíveis sólidos biológicos com a influência de altas temperaturas. - transformação de combustíveis sólidos em componentes gasosos e sólidos pelo uso de calor e O2 - vantagens: menor emissão que a combustão, ideal para a recuperação de energia - desvantagens: quantidade de poeira e compostos orgânicos na exaustão para uso nas turbinas • Pirólise: (liquefação de combustíveis sólidos) - conversão da biomassa com falta de O2 e influenciado pelo calor - produção de componentes sólidos, líquidos e gasosos para uso na recuperação de energia - vantagens: O combustível sólido pode ser convertido em combustível líquido que pode ser facilmente transportado e possui alto poder calorífico - Estado atual: em desenvolvimento Tecnologias de Combustão da Biomassa Sistemas de Grelhas: Grelhas Inclinadas, grelhas oscilantes, grelhas rotativas Tamanhos pequenos a médios (1 - 150 MW) Eficiência baixa (65%) Leito Fluidizado: Leito Fluidizado borbulhante e circulante Tamanhos pequeno a grande (3 - 700 MW) Eficiência térmica normalmente superior a 80% Uso de combustíveis pobres ou úmidos Fornalhas de Combustível Pulverizado: Uso de pellets (combustível seco) Eficiência térmica bem acima de 80% Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Sistema para casas individuais ou blocos residenciais. Água quente e aquecimento Automático Uso de Pellets ou toletes Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Caldeira Toletes - Alimentação Manual - Combustível de baixo preço - Potência > 15kW - Alimentação 1 vez por dia - Acoplada a um tanque acumulador para controle • Caldeira de Pellets Caldeira de Pellets - Combustível de alta qualidade - Equipamento pequeno - Potência > 10kW - Sistema de alimentação simples - Grande nível de controle Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Entrega de Pellets Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Alimentação Automática - Componentes do Sistema Armazenamento Combustível Sistema de Alimentação Câmara de Combustão Trocador de Calor Chaminé Sistema Limpeza Gases Cinzas Tubulação Água Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Componentes Caldeira de Chips Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Opções de Armazenamento de Chips Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Alimentação de Chips Caldeira Doméstica de Aquecimento Central Central Termoelétrica a Biomassa Termoelétrica 12,3MW WinImport Paraná
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